高校送餐無人機(jī)自動(dòng)尋址算法

張晶朋，楊威

（沈陽城市建設(shè)學(xué)院信息與控制工程系，遼寧沈陽，110167）

0 引言

國(guó)民經(jīng)濟(jì)的不斷提升，決定了在未來二三十年里航空仍然是一個(gè)高速發(fā)展的行業(yè)。就運(yùn)輸航空而言，整體發(fā)展趨勢(shì)持續(xù)向好，各項(xiàng)指標(biāo)穩(wěn)步上升。在中國(guó)民用航空局2016年工作報(bào)告中顯示，全民航業(yè)在1月至7月間完成的運(yùn)輸總周轉(zhuǎn)量達(dá)到455.9億噸公里，同比增長(zhǎng) 12.5%。航空業(yè)尤其無人機(jī)蓬勃發(fā)展，為此而感到榮幸的同時(shí)，更應(yīng)該冷靜的做好針對(duì)不安全事故的應(yīng)對(duì)措施。航空安全一直以來都是世界各國(guó)長(zhǎng)期關(guān)心的問題，它事關(guān)國(guó)家政治經(jīng)濟(jì)與人民財(cái)產(chǎn)安全。

1 無人機(jī)飛控系統(tǒng)

飛控系統(tǒng)就是無人機(jī)飛行控制系統(tǒng)，是無人機(jī)的核心控制裝置，相當(dāng)于無人機(jī)的大腦，是否裝有飛控系統(tǒng)也是無人機(jī)區(qū)別于普通航空模型的重要標(biāo)志。主要有陀螺儀（飛行姿態(tài)感知），加速計(jì)，地磁感應(yīng)，飛控，氣壓傳感器（懸停高度粗略控制），超聲波傳感器（低空高度精確控制或避障），光流傳感器（懸停水平位置精確確定），GPS模塊（水平位置高度粗略定位），以及控制電路組成。主要的功能就是自動(dòng)保持飛機(jī)的正常飛行姿態(tài)。

隨著智能化的發(fā)展，當(dāng)今的無人機(jī)已不僅僅限于固定翼與傳統(tǒng)直升機(jī)形式，已經(jīng)涌現(xiàn)出四軸、六軸、單軸、矢量控制等多種形式。多軸形式的無人機(jī)一般通過控制各軸槳葉的轉(zhuǎn)速來控制無人機(jī)的姿態(tài)，以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)彎、爬升、俯沖、橫滾等動(dòng)作。

2 無人機(jī)自動(dòng)尋址算法

2.1 路徑規(guī)劃技術(shù)

路徑規(guī)劃技術(shù)是指無人機(jī)在有障礙物，或和其它無人機(jī)相遇等復(fù)雜外界環(huán)境中，尋求從起點(diǎn)到終點(diǎn)的最優(yōu)或次優(yōu)路徑。該路徑必須保證無人機(jī)在運(yùn)動(dòng)過程中的安全，不會(huì)碰到障礙物，同時(shí)完成指定任務(wù)，規(guī)劃的路徑一定要經(jīng)過任務(wù)所在的位置，設(shè)計(jì)規(guī)劃出的路徑必須簡(jiǎn)單并盡量?jī)?yōu)化，保證合理利用無人機(jī)能源，盡量減小路線長(zhǎng)度，增加有效運(yùn)行時(shí)間在任務(wù)中的占比。

無人機(jī)路徑的優(yōu)秀程度是完成任務(wù)好壞的關(guān)鍵，也是增加有效運(yùn)行時(shí)間的重要保證。一個(gè)優(yōu)秀的路徑算法，必須保證路徑的合理性，規(guī)劃的路徑都是可行的，任務(wù)中重要節(jié)點(diǎn)都在路徑上；算法能夠計(jì)算出所有的可行方案，能夠有日志供開發(fā)者查找問題出現(xiàn)的原因；設(shè)計(jì)的路徑要達(dá)到最優(yōu)，減少能耗，增加續(xù)航時(shí)間和航行距離等；發(fā)揮出無人機(jī)本身硬件的最高性能；路徑規(guī)劃要做到高效實(shí)時(shí)，算法能夠及時(shí)根據(jù)飛控中心服務(wù)器授時(shí)，接收到的定位信息來實(shí)時(shí)調(diào)整當(dāng)前路徑和速度，保證飛行穩(wěn)定有效，避免延誤。

2.2 無人機(jī)尋址算法

結(jié)合高校送餐服務(wù)，無人機(jī)可采用兩種模式完成送餐服務(wù)。（1）根據(jù)校園三維模型數(shù)據(jù)，為無人機(jī)編制飛行路徑固定的飛行路線完成送餐業(yè)務(wù)；（2）不考慮校園三維模型數(shù)據(jù)，采用視覺定位和GPS功能完成送餐業(yè)務(wù)。

如果采用第一種方式，需建立校園內(nèi)建筑三維模型并隨時(shí)更新，為無人機(jī)編制針對(duì)每個(gè)寢室陽臺(tái)送餐路線，當(dāng)校園基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)增加時(shí)，必須針對(duì)無人機(jī)更新飛行路線，否則可能出現(xiàn)由于飛行路線和算法未更新導(dǎo)致與新建筑物撞擊事件的發(fā)生。這種無人機(jī)不需要過多的獨(dú)立的尋址算法，因?yàn)榇藭r(shí)，無人機(jī)送餐尋址算法依賴校園三維模型數(shù)據(jù)。

本文分析并設(shè)計(jì)第二種方式完成送餐服務(wù)。既然不依賴三維模型，那么無人機(jī)如何判斷怎樣飛行到送餐目的地呢？

2.3 視覺定位

送餐無人機(jī)的視覺傳感器通過獲取目標(biāo)圖像，經(jīng)過數(shù)字圖像處理及特征點(diǎn)的提取，得到目標(biāo)的圖像坐標(biāo)，再由計(jì)算機(jī)來實(shí)現(xiàn)被測(cè)物體空間幾何參數(shù)和位置姿態(tài)等參數(shù)的快速計(jì)算。主要分為有標(biāo)記的視覺定位和無標(biāo)記的視覺定位，其中無標(biāo)記的定位需要關(guān)于場(chǎng)景的先驗(yàn)知識(shí)，首先獲得環(huán)境地圖，由于我們主要應(yīng)用于高校中，所以比較容易地獲取到高清的環(huán)境地圖，地點(diǎn)也比較固定，將寢室樓進(jìn)行標(biāo)記，并設(shè)置多個(gè)雷達(dá)基站進(jìn)行準(zhǔn)確定位，圖像視覺進(jìn)行輔助定位。基于地面標(biāo)識(shí)的視覺定位技術(shù)如圖1所示。

圖1 基于地面標(biāo)識(shí)的視覺定位技術(shù)

2.4 算法設(shè)計(jì)

結(jié)合視覺定位尋址算法的基本特點(diǎn)和功能，算法設(shè)計(jì)如下（建議使用C++或Java作為語言實(shí)現(xiàn)）：

（1）init函數(shù)初始化，建立3*3矩陣R。

（2）磁力計(jì)修正，得到誤差corr：先計(jì)算得到誤差角度mag_er，再用_wrap_pi函數(shù)做約束，再計(jì)算corr值，相當(dāng)于機(jī)體坐標(biāo)系繞地理坐標(biāo)系N軸（Z軸）轉(zhuǎn)動(dòng)arctan（mag_earth(1), mag_earth(0)）度。

（3）加速度計(jì)修正更新誤差corr：將陀螺儀計(jì)算得到的矩陣第三行（即重力加速度部分）轉(zhuǎn)換到b系，再將加速度測(cè)得重力加速度（_accel - 機(jī)體加速度）的數(shù)據(jù)歸一化（本身屬于b系），將這兩個(gè)的值進(jìn)行叉乘即測(cè)得誤差。具體過程：歸一化的n系重力加速度通過旋轉(zhuǎn)矩陣R左乘旋轉(zhuǎn)到b系，即k為歸一化的旋轉(zhuǎn)矩陣R（b-e）的第三行，總的受到合力的方向（_accel）減去機(jī)體加速度方向（_pos_acc）得到g的方向，即總加速度（加速度獲?。p去機(jī)體運(yùn)動(dòng)加速度（第五部分）獲取重力加速度，然后姿態(tài)矩陣的不是行就是列來與純重力加速度來做叉積，算出誤差。因?yàn)檫\(yùn)動(dòng)加速度是有害的干擾，必須減掉。算法的理論基礎(chǔ)是[0,0,1]與姿態(tài)矩陣相乘。該差值獲取的重力加速度的方向是導(dǎo)航坐標(biāo)系下的z軸，加上運(yùn)動(dòng)加速度之后，總加速度的方向就不是與導(dǎo)航坐標(biāo)系的天或地平行了，所以要消除這個(gè)誤差，即“_accel-_pos_acc”。然后叉乘z軸向量得到誤差，進(jìn)行校準(zhǔn)。

（4）對(duì)誤差corr進(jìn)行PI控制器中的I（積分），得到_gyro_bias，再對(duì)_gyro_bias做約束處理。

（5）使用修正的數(shù)據(jù)更新四元數(shù)，并把_rates和_gyro_bias置零便于下次調(diào)用時(shí)使用。

3 結(jié)論

實(shí)時(shí)操控下無人機(jī)飛行控制系統(tǒng)技術(shù)已經(jīng)完全成型，無人機(jī)自動(dòng)尋址技術(shù)仍處于百花齊放，尤其無人機(jī)應(yīng)用于不同領(lǐng)域中采用的尋址算法側(cè)重點(diǎn)也有所不同，本論文研究了在高校范圍內(nèi)送餐無人機(jī)的尋址算法。

參考文獻(xiàn)

[1]趙明.多無人機(jī)系統(tǒng)的協(xié)同目標(biāo)分配和航跡規(guī)劃方法研究[D].哈爾濱工業(yè)大學(xué),2016.

[2]張潮.神經(jīng)智能控制在小型快遞無人機(jī)系統(tǒng)中的研究與應(yīng)用[D].北京科技大學(xué),2016.

[3]卓星宇.無人機(jī)山區(qū)搜尋方法研究[D].中國(guó)民用航空飛行學(xué)院,2017.