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1、四旋翼無(wú)人機(jī)自主避障系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
摘要：針對(duì)自主導(dǎo)航過(guò)程的預(yù)先避障和飛行控制中預(yù)判與控制，該文利用超聲波檢測(cè)距離原理對(duì)體小質(zhì)輕、低空低速的小型無(wú)人機(jī)導(dǎo)航控制系統(tǒng)的自主避障功能進(jìn)行了研究。小型無(wú)人機(jī)將AHRS信息采集與避障飛行控制分開(kāi)設(shè)計(jì)為兩局部相對(duì)獨(dú)立的系統(tǒng)。兩片DSP芯片分別實(shí)現(xiàn)姿態(tài)數(shù)據(jù)采集、處理和避障導(dǎo)航計(jì)算，有效降低了導(dǎo)航系統(tǒng)的計(jì)算復(fù)雜度，實(shí)時(shí)通信和數(shù)據(jù)處理更加流暢。飛行實(shí)驗(yàn)說(shuō)明，無(wú)人機(jī)可以預(yù)判，及時(shí)躲避障礙物和自主巡航，設(shè)計(jì)方案?34文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1004?373X〔2021〕22?0133?05Abstract：Inallusiontotheobstaclepre?
2、avoidanceintheautonomousnavigationprocessandtheprejudgmentandcontrolinflightcontrol，theautonomousobstacleavoidancefunctionofthesmall?scalelow?altitudeandlow??scaleUAV，theAHRSinformationacquisitionandobstacleavoidanceflightcontrolareseparatelydesignedintotwopartsofrelatively?independentsystems.Thetwo
3、DSPchipsareadoptedtorespectivelyrealizeattitudedataacquisitionandprocessingandnavigationcalculationofobstacleavoidance，soastoeffectivelyreducethecomputationalcomplexityofthenavigationsystem，andmakethereal?timecommunicationanddataprocessingmoresmooth.TheresultsoftheflightexperimentshowthattheUAVcanpr
4、ejudgeandavoidobstaclestimely，andperformautonomouscruise；thedesignschemeisreliableandstable，whichcanprovideareferencefordesignandapplicationofthesmall?scalecivilUAV.Keywords：UAV；quadrotor；autonomousnavigation；obstacleavoidance；positioning；ultrasonicdistancemeasurement0引言近年來(lái)，自主導(dǎo)航無(wú)人機(jī)以其低廉的本錢(qián)、無(wú)人員傷亡風(fēng)險(xiǎn)、機(jī)動(dòng)
5、性能好、使用方便等優(yōu)勢(shì)，在高危作業(yè)、災(zāi)害航拍、搶險(xiǎn)布控、環(huán)境監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用【1】。傳統(tǒng)上，外形尺寸10～30cm的小型無(wú)人機(jī)大多采用獨(dú)立的單片機(jī)控制。這種方式數(shù)據(jù)處理能力缺乏，只能完成簡(jiǎn)單的控制任務(wù)。近些年，國(guó)內(nèi)新技術(shù)的應(yīng)用提高了無(wú)人機(jī)的導(dǎo)航性能，例如小型農(nóng)用無(wú)人機(jī)導(dǎo)航控制系統(tǒng)采用數(shù)字信號(hào)處理器〔DSP〕實(shí)現(xiàn)了無(wú)人機(jī)的自主飛行導(dǎo)航控制【2】。張垚等采用內(nèi)外環(huán)結(jié)構(gòu)的PD控制算法，構(gòu)造了無(wú)人機(jī)的位置與姿態(tài)跟蹤控制器，實(shí)現(xiàn)了四旋翼無(wú)人機(jī)滾轉(zhuǎn)角、俯仰角和水平縱向、橫向位置共四個(gè)自由度的自動(dòng)控制，飛行控制仿真實(shí)驗(yàn)效果明顯【3】。吳濤等采用四元數(shù)的方法來(lái)描述載體運(yùn)動(dòng)的姿態(tài)，通過(guò)陀螺儀測(cè)姿態(tài)四元
6、數(shù)，卡爾曼濾波算法融合加速度計(jì)數(shù)據(jù)，對(duì)姿態(tài)四元數(shù)進(jìn)行修正，實(shí)現(xiàn)了姿態(tài)解算精度的提高【4】。這些飛行器控制器模型提高了無(wú)人機(jī)的導(dǎo)航及控制性能，但上述小型無(wú)人機(jī)導(dǎo)航與控制較少提及導(dǎo)航行程中的避障功能。小型自主導(dǎo)航無(wú)人機(jī)避障系統(tǒng)依然是小型無(wú)人機(jī)開(kāi)展和突破的關(guān)鍵技術(shù)。設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單而又有效地自動(dòng)避障系統(tǒng)，保障無(wú)人機(jī)空中作業(yè)的平安是亟待解決的問(wèn)題。國(guó)內(nèi)外針對(duì)小型多旋翼無(wú)人機(jī)的避障系統(tǒng)還很少，所提出的各種避障方法和思想，大多處于仿真階段，其有效性也有待驗(yàn)證，少有真正使用的避障系統(tǒng)【5】。該文針對(duì)用于航拍和監(jiān)測(cè)任務(wù)的小型無(wú)人機(jī)的特點(diǎn)，要求無(wú)人機(jī)低本錢(qián)、體小質(zhì)輕，同時(shí)實(shí)現(xiàn)按照設(shè)定航線自主導(dǎo)航，實(shí)時(shí)回傳采集數(shù)據(jù)，并預(yù)
7、知障礙物并自動(dòng)繞開(kāi)。為實(shí)現(xiàn)上述要求，本文構(gòu)造了一種基于超聲波測(cè)距的無(wú)人機(jī)自主導(dǎo)航與科學(xué)避障系統(tǒng)。飛行實(shí)驗(yàn)說(shuō)明，基于該避障系統(tǒng)的無(wú)人機(jī)可以實(shí)現(xiàn)預(yù)判，及時(shí)躲避障礙物和自主巡航功能，設(shè)計(jì)方案可靠穩(wěn)定，可為民用小型無(wú)人機(jī)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用提供參考。1系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)基于超聲波距離檢測(cè)的無(wú)人機(jī)避障系統(tǒng)，包括無(wú)人機(jī)端和地面監(jiān)控端。無(wú)人機(jī)導(dǎo)航控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。無(wú)人機(jī)包含飛行控制模塊、機(jī)載射頻通信模塊、超聲波測(cè)距模塊。飛行控制模塊以TMS320C28335DSP處理器為控制核心，同時(shí)及時(shí)通過(guò)機(jī)載射頻接收模塊實(shí)時(shí)反響飛行狀況給地面站。超聲波測(cè)距模塊依據(jù)聲波速度和超聲波發(fā)射、接收的時(shí)間間隔判斷和預(yù)算出無(wú)人機(jī)飛行過(guò)程
8、中前方、左方、上方、右方、前方障礙物以及與障礙物之間的距離。無(wú)人機(jī)由超聲波測(cè)距模塊和飛行控制模塊科學(xué)預(yù)判無(wú)人機(jī)的飛行路線，自主航行，躲避障礙物。地面端集成射頻通信模塊、航跡規(guī)劃模塊和監(jiān)控反響模塊，目的主要是人為干預(yù)和控制無(wú)人機(jī)的飛行狀態(tài)。航跡規(guī)劃模塊包含最新地圖，用于設(shè)置無(wú)人機(jī)在自主飛行模式下的起止點(diǎn)、飛行高度和飛行速度。實(shí)時(shí)監(jiān)控模塊用于實(shí)時(shí)檢測(cè)與監(jiān)控?zé)o人機(jī)狀態(tài)，并進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、故障檢測(cè)與報(bào)警操作。機(jī)載射頻通信模塊實(shí)時(shí)與地面射頻通信模塊保持無(wú)線通信。1.1無(wú)人機(jī)總體結(jié)構(gòu)無(wú)人機(jī)整體結(jié)構(gòu)包括外形支架結(jié)構(gòu)、控制主板以及起降輔助系統(tǒng)等。無(wú)人機(jī)外形支架結(jié)構(gòu)的墜落預(yù)防機(jī)制和處理機(jī)制需要從材料上選擇時(shí)考慮結(jié)
9、構(gòu)耐摔壓、耐磨損等因素。除了自身的導(dǎo)航與控制和信息采集硬件設(shè)備，還需要攜帶足量供給能源。同時(shí)，無(wú)人機(jī)的外形設(shè)計(jì)需要符合流體力學(xué)和空氣動(dòng)力學(xué)，具有應(yīng)對(duì)突發(fā)的惡劣環(huán)境因素的能力，不同條件下飛行校正具有較好的魯棒性和適應(yīng)性。無(wú)人機(jī)起降系統(tǒng)應(yīng)具有良好的場(chǎng)地適應(yīng)性，可參考正常布局采用小型復(fù)合材料無(wú)人機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)?？紤]用于航拍和監(jiān)測(cè)任務(wù)的無(wú)人機(jī)的功能特點(diǎn)，無(wú)人機(jī)控制主板硬件結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。無(wú)人機(jī)主控芯片采用兩片TI的高性能、低功耗的TMS320C28335DSP處理器，主要負(fù)責(zé)采集姿態(tài)航向參考系統(tǒng)〔AttitudeandHeadingReferenceSystem，AHRS〕信息，電子羅盤(pán)航向角、5個(gè)方向
10、的聲波檢測(cè)數(shù)據(jù)及GPS位置數(shù)據(jù)，并分別分析、計(jì)算采集的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。F28335芯片1完成的主要功能包括與AHRS、GPS、電子羅盤(pán)、氣壓高度計(jì)、無(wú)線模塊等進(jìn)行通信，獲取飛機(jī)的各種姿態(tài)和位置信息。F28335芯片2主要承擔(dān)導(dǎo)航飛行和測(cè)距避障計(jì)算，它與F28335芯片1之間需進(jìn)行高速數(shù)據(jù)交換。芯片1和芯片2的數(shù)據(jù)緩沖存儲(chǔ)器選擇至關(guān)重要，選用雙口RAM的IDT70V27芯片可實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)共享，一個(gè)存儲(chǔ)器配備2套獨(dú)立的地址、數(shù)據(jù)和控制線，允許2個(gè)獨(dú)立的CPU或控制器同時(shí)異步訪問(wèn)存儲(chǔ)單元，符合2片F(xiàn)28335芯片通信需求。1.2無(wú)人機(jī)地面監(jiān)測(cè)控制端在無(wú)人機(jī)的自主導(dǎo)航和避障功能的實(shí)現(xiàn)中，無(wú)人機(jī)的地面遙控設(shè)計(jì)
11、不是本文討論的重點(diǎn)，它的實(shí)時(shí)監(jiān)控和操縱只不過(guò)通過(guò)無(wú)線通信對(duì)無(wú)人機(jī)的實(shí)時(shí)飛行數(shù)據(jù)進(jìn)行校正和更新。地面監(jiān)控運(yùn)用正確的硬件設(shè)計(jì)和軟件程序是實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)平安飛行的前提，但對(duì)于航拍和監(jiān)測(cè)任務(wù)的小型無(wú)人機(jī)，地面監(jiān)控更重要的作用是飛行任務(wù)的匯報(bào)和反響，表現(xiàn)為采集數(shù)據(jù)、影像的接收以及飛行狀態(tài)同步回傳。2無(wú)人機(jī)自主導(dǎo)航系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)的導(dǎo)航系統(tǒng)與地面監(jiān)測(cè)站之間需進(jìn)行大量通信，數(shù)據(jù)量大，對(duì)實(shí)時(shí)性要求高。無(wú)人機(jī)導(dǎo)航控制系統(tǒng)以TMS320F28335芯片為核心，并擴(kuò)展了DSP芯片異步串行通信接口，保證了數(shù)據(jù)通信的穩(wěn)定可靠，實(shí)現(xiàn)了無(wú)人機(jī)的自主導(dǎo)航控制。無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)采集和避障計(jì)算分開(kāi)設(shè)計(jì)，導(dǎo)航控制系統(tǒng)主要由F28335芯片1
12、和F28335芯片2及其相關(guān)外設(shè)組成。為了保證無(wú)線通信的實(shí)效性和穩(wěn)定性，降低導(dǎo)航系統(tǒng)及蔽障控制系統(tǒng)的復(fù)雜度，系統(tǒng)將姿態(tài)數(shù)據(jù)采集與導(dǎo)航蔽障控制分開(kāi)，采用雙DSP芯片完成，從而提高計(jì)算速度和飛行平安性。系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是F28335芯片1和GPS、F28335芯片1和F28335芯片2之間的接口設(shè)計(jì)。F28335包括2個(gè)UART異步串口和一個(gè)SPI同步串口。一個(gè)SCI串口〔UART〕用于接收地面遙測(cè)數(shù)據(jù)，另一個(gè)用于與飛行控制系統(tǒng)通信。提高UART異步串口的中斷級(jí)別并簡(jiǎn)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)，數(shù)據(jù)緩存存儲(chǔ)器采用容量為64B的TL16C752外擴(kuò)串口收發(fā)芯片接收GPS信息。F28335之間采用IDT70V27進(jìn)
13、行接口，完成數(shù)據(jù)通信。自主導(dǎo)航系統(tǒng)的信號(hào)處理主要包括GPS、電子羅盤(pán)、高度氣壓計(jì)、空間坐標(biāo)轉(zhuǎn)換等。無(wú)人機(jī)執(zhí)行飛行任務(wù)默認(rèn)設(shè)置飛行高度、四旋翼轉(zhuǎn)速范圍等飛行數(shù)據(jù)存入F28335的FLASH存儲(chǔ)器，防止無(wú)人機(jī)不利條件下的失控。2.1飛行控制模塊導(dǎo)航系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要由F28335芯片1、F28335芯片2及外設(shè)擴(kuò)展組成。硬件電路設(shè)計(jì)和傳感器選擇考慮因素較多，例如高度氣壓計(jì)考慮無(wú)人機(jī)載重及低空定高的需求，采用僅僅1.5g的飛思卡爾半導(dǎo)體〔FreescaleSemiconductor〕的MPX4115傳感器，其氣壓量程、高度量程【6】分別為15～115kPa和1100～13000m。機(jī)載〔主要由三軸陀螺儀、加速度計(jì)和磁阻傳感器組成〕的AHRS模塊，多種傳感器的配合目的是消除速度、加速度漂移來(lái)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定飛行。電子羅盤(pán)使用數(shù)字式羅盤(pán)HMR3300，有補(bǔ)償硬磁、鐵磁干擾和離散磁場(chǎng)功能。
四旋翼無(wú)人機(jī)自主避障系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
