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1、四旋翼無人機自主避障系統(tǒng)的設計與實現
摘要：針對自主導航過程的預先避障和飛行控制中預判與控制，該文利用超聲波檢測距離原理對體小質輕、低空低速的小型無人機導航控制系統(tǒng)的自主避障功能進行了研究。小型無人機將AHRS信息采集與避障飛行控制分開設計為兩局部相對獨立的系統(tǒng)。兩片DSP芯片分別實現姿態(tài)數據采集、處理和避障導航計算，有效降低了導航系統(tǒng)的計算復雜度，實時通信和數據處理更加流暢。飛行實驗說明，無人機可以預判，及時躲避障礙物和自主巡航，設計方案?34文獻標識碼：A文章編號：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，自主導航無人機以其低廉的本錢、無人員傷亡風險、機動
5、性能好、使用方便等優(yōu)勢，在高危作業(yè)、災害航拍、搶險布控、環(huán)境監(jiān)測等領域得到了廣泛的應用【1】。傳統(tǒng)上，外形尺寸10～30cm的小型無人機大多采用獨立的單片機控制。這種方式數據處理能力缺乏，只能完成簡單的控制任務。近些年，國內新技術的應用提高了無人機的導航性能，例如小型農用無人機導航控制系統(tǒng)采用數字信號處理器〔DSP〕實現了無人機的自主飛行導航控制【2】。張垚等采用內外環(huán)結構的PD控制算法，構造了無人機的位置與姿態(tài)跟蹤控制器，實現了四旋翼無人機滾轉角、俯仰角和水平縱向、橫向位置共四個自由度的自動控制，飛行控制仿真實驗效果明顯【3】。吳濤等采用四元數的方法來描述載體運動的姿態(tài)，通過陀螺儀測姿態(tài)四元
6、數，卡爾曼濾波算法融合加速度計數據，對姿態(tài)四元數進行修正，實現了姿態(tài)解算精度的提高【4】。這些飛行器控制器模型提高了無人機的導航及控制性能，但上述小型無人機導航與控制較少提及導航行程中的避障功能。小型自主導航無人機避障系統(tǒng)依然是小型無人機開展和突破的關鍵技術。設計簡單而又有效地自動避障系統(tǒng)，保障無人機空中作業(yè)的平安是亟待解決的問題。國內外針對小型多旋翼無人機的避障系統(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，其有效性也有待驗證，少有真正使用的避障系統(tǒng)【5】。該文針對用于航拍和監(jiān)測任務的小型無人機的特點，要求無人機低本錢、體小質輕，同時實現按照設定航線自主導航，實時回傳采集數據，并預
7、知障礙物并自動繞開。為實現上述要求，本文構造了一種基于超聲波測距的無人機自主導航與科學避障系統(tǒng)。飛行實驗說明，基于該避障系統(tǒng)的無人機可以實現預判，及時躲避障礙物和自主巡航功能，設計方案可靠穩(wěn)定，可為民用小型無人機的設計與應用提供參考。1系統(tǒng)總體結構基于超聲波距離檢測的無人機避障系統(tǒng)，包括無人機端和地面監(jiān)控端。無人機導航控制系統(tǒng)結構圖如圖1所示。無人機包含飛行控制模塊、機載射頻通信模塊、超聲波測距模塊。飛行控制模塊以TMS320C28335DSP處理器為控制核心，同時及時通過機載射頻接收模塊實時反響飛行狀況給地面站。超聲波測距模塊依據聲波速度和超聲波發(fā)射、接收的時間間隔判斷和預算出無人機飛行過程
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。無人機由超聲波測距模塊和飛行控制模塊科學預判無人機的飛行路線，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和控制無人機的飛行狀態(tài)。航跡規(guī)劃模塊包含最新地圖，用于設置無人機在自主飛行模式下的起止點、飛行高度和飛行速度。實時監(jiān)控模塊用于實時檢測與監(jiān)控無人機狀態(tài)，并進行數據存儲、故障檢測與報警操作。機載射頻通信模塊實時與地面射頻通信模塊保持無線通信。1.1無人機總體結構無人機整體結構包括外形支架結構、控制主板以及起降輔助系統(tǒng)等。無人機外形支架結構的墜落預防機制和處理機制需要從材料上選擇時考慮結
9、構耐摔壓、耐磨損等因素。除了自身的導航與控制和信息采集硬件設備，還需要攜帶足量供給能源。同時，無人機的外形設計需要符合流體力學和空氣動力學，具有應對突發(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性。無人機起降系統(tǒng)應具有良好的場地適應性，可參考正常布局采用小型復合材料無人機進行設計?？紤]用于航拍和監(jiān)測任務的無人機的功能特點，無人機控制主板硬件結構圖如圖2所示。無人機主控芯片采用兩片TI的高性能、低功耗的TMS320C28335DSP處理器，主要負責采集姿態(tài)航向參考系統(tǒng)〔AttitudeandHeadingReferenceSystem，AHRS〕信息，電子羅盤航向角、5個方向
10、的聲波檢測數據及GPS位置數據，并分別分析、計算采集的實時數據。F28335芯片1完成的主要功能包括與AHRS、GPS、電子羅盤、氣壓高度計、無線模塊等進行通信，獲取飛機的各種姿態(tài)和位置信息。F28335芯片2主要承擔導航飛行和測距避障計算，它與F28335芯片1之間需進行高速數據交換。芯片1和芯片2的數據緩沖存儲器選擇至關重要，選用雙口RAM的IDT70V27芯片可實現存儲數據共享，一個存儲器配備2套獨立的地址、數據和控制線，允許2個獨立的CPU或控制器同時異步訪問存儲單元，符合2片F28335芯片通信需求。1.2無人機地面監(jiān)測控制端在無人機的自主導航和避障功能的實現中，無人機的地面遙控設計
11、不是本文討論的重點，它的實時監(jiān)控和操縱只不過通過無線通信對無人機的實時飛行數據進行校正和更新。地面監(jiān)控運用正確的硬件設計和軟件程序是實現無人機平安飛行的前提，但對于航拍和監(jiān)測任務的小型無人機，地面監(jiān)控更重要的作用是飛行任務的匯報和反響，表現為采集數據、影像的接收以及飛行狀態(tài)同步回傳。2無人機自主導航系統(tǒng)的實現無人機的導航系統(tǒng)與地面監(jiān)測站之間需進行大量通信，數據量大，對實時性要求高。無人機導航控制系統(tǒng)以TMS320F28335芯片為核心，并擴展了DSP芯片異步串行通信接口，保證了數據通信的穩(wěn)定可靠，實現了無人機的自主導航控制。無人機數據采集和避障計算分開設計，導航控制系統(tǒng)主要由F28335芯片1
12、和F28335芯片2及其相關外設組成。為了保證無線通信的實效性和穩(wěn)定性，降低導航系統(tǒng)及蔽障控制系統(tǒng)的復雜度，系統(tǒng)將姿態(tài)數據采集與導航蔽障控制分開，采用雙DSP芯片完成，從而提高計算速度和飛行平安性。系統(tǒng)硬件設計的關鍵是F28335芯片1和GPS、F28335芯片1和F28335芯片2之間的接口設計。F28335包括2個UART異步串口和一個SPI同步串口。一個SCI串口〔UART〕用于接收地面遙測數據，另一個用于與飛行控制系統(tǒng)通信。提高UART異步串口的中斷級別并簡化系統(tǒng)設計，數據緩存存儲器采用容量為64B的TL16C752外擴串口收發(fā)芯片接收GPS信息。F28335之間采用IDT70V27進
13、行接口，完成數據通信。自主導航系統(tǒng)的信號處理主要包括GPS、電子羅盤、高度氣壓計、空間坐標轉換等。無人機執(zhí)行飛行任務默認設置飛行高度、四旋翼轉速范圍等飛行數據存入F28335的FLASH存儲器，防止無人機不利條件下的失控。2.1飛行控制模塊導航系統(tǒng)結構主要由F28335芯片1、F28335芯片2及外設擴展組成。硬件電路設計和傳感器選擇考慮因素較多，例如高度氣壓計考慮無人機載重及低空定高的需求，采用僅僅1.5g的飛思卡爾半導體〔FreescaleSemiconductor〕的MPX4115傳感器，其氣壓量程、高度量程【6】分別為15～115kPa和1100～13000m。機載〔主要由三軸陀螺儀、加速度計和磁阻傳感器組成〕的AHRS模塊，多種傳感器的配合目的是消除速度、加速度漂移來實現穩(wěn)定飛行。電子羅盤使用數字式羅盤HMR3300，有補償硬磁、鐵磁干擾和離散磁場功能。
四旋翼無人機自主避障系統(tǒng)的設計與實現
