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)

胡海兵 汪國(guó)慶 賴重遠(yuǎn) 張結(jié)文

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)為兩部分相對(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)表明，無(wú)人機(jī)可以預(yù)判，及時(shí)規(guī)避障礙物和自主巡航，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。

關(guān)鍵詞： 無(wú)人機(jī)； 四旋翼； 自主導(dǎo)航； 避障； 定位； 超聲波測(cè)距

中圖分類號(hào)： TN752.6?34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2018）22?0133?05

Abstract： In allusion to the obstacle pre?avoidance in the autonomous navigation process and the prejudgment and control in flight control， the autonomous obstacle avoidance function of the small?scale low?altitude and low?speed unmanned aerial vehicle （UAV） navigation control system with small volume and light weight is studied by using the distance detection principle of the ultrasonic wave. In the small?scale UAV， the AHRS information acquisition and obstacle avoidance flight control are separately designed into two parts of relatively?independent systems. The two DSP chips are adopted to respectively realize attitude data acquisition and processing and navigation calculation of obstacle avoidance， so as to effectively reduce the computational complexity of the navigation system， and make the real?time communication and data processing more smooth. The results of the flight experiment show that the UAV can prejudge and avoid obstacles timely， and perform autonomous cruise； the design scheme is reliable and stable， which can provide a reference for design and application of the small?scale civil UAV.

Keywords： UAV； quadrotor； autonomous navigation； obstacle avoidance； positioning； ultrasonic distance measurement

0 引 言

近年來(lái)，自主導(dǎo)航無(wú)人機(jī)以其低廉的成本、無(wú)人員傷亡風(fēng)險(xiǎn)、機(jī)動(dòng)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10～30 cm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)處理能力不足，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)發(fā)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)的安全是亟待解決的問(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)低成本、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)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)表明，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)規(guī)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TMS320C28335 DSP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)反饋飛行狀況給地面站。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)程中前方、左方、上方、右方、后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，規(guī)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)控反饋模塊，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)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TMS320C28335 DSP處理器，主要負(fù)責(zé)采集姿態(tài)航向參考系統(tǒng)（Attitude and Heading Reference System，AHRS）信息，電子羅盤(pán)航向角、5個(gè)方向的聲波檢測(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)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)安全飛行的前提，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)和反饋，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)算速度和飛行安全性。

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 64 B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)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（Freescale Semiconductor）的MPX4115傳感器，其氣壓量程、高度量程[6]分別為15～115 kPa和1 100～13 000 m。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。

2.2 機(jī)載射頻通信模塊

無(wú)人機(jī)F28335芯片1接收高度氣壓計(jì)、GPS、數(shù)字式羅盤(pán)HMR3300等數(shù)據(jù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)計(jì)算和分析，將任務(wù)指令傳遞給任務(wù)系統(tǒng)，將數(shù)據(jù)處理結(jié)果、定位信息和姿態(tài)航向參考系統(tǒng)（AHRS）信息傳送給數(shù)據(jù)緩存存儲(chǔ)器。F28335芯片2根據(jù)導(dǎo)航需要隨時(shí)讀取其中的數(shù)據(jù)，F(xiàn)28335芯片2根據(jù)GPS數(shù)據(jù)導(dǎo)航信息及超聲波測(cè)距信息計(jì)算分析，發(fā)出導(dǎo)航控制指令，并將姿態(tài)信息傳送給地面站。無(wú)線通信模塊是以ZigBee技術(shù)的低功耗XbeePro Series 2通信模塊，250 kbit/s數(shù)據(jù)傳輸速度、1.5 km的通信距離和50 mW輸出功率滿足無(wú)人機(jī)的續(xù)航和監(jiān)控，地面可以及時(shí)獲取無(wú)人機(jī)的飛行狀況及實(shí)時(shí)位置的反饋[7]。

3 無(wú)人機(jī)自主避障的實(shí)現(xiàn)

3.1 超聲波測(cè)距模塊

基于超聲波距離檢測(cè)的無(wú)人機(jī)避障系統(tǒng)主要有超聲波發(fā)射、接收模塊兩部分。無(wú)人機(jī)避障系統(tǒng)的控制方法使得無(wú)人機(jī)能夠?qū)φ系K物進(jìn)行自動(dòng)規(guī)避，規(guī)避的方式更為多樣化，并且能夠自動(dòng)調(diào)整航線，完成規(guī)定的飛行任務(wù)。無(wú)人機(jī)避障系統(tǒng)簡(jiǎn)單，使用方便，具有較大的實(shí)用價(jià)值。

超聲波測(cè)距系統(tǒng)工作原理[8]：測(cè)距時(shí)系統(tǒng)F28335芯片2設(shè)置引腳輸出脈沖信號(hào)40 kHz方波，由74HC04功率放大電路連接到超聲波發(fā)射頭。溫度T由DS18B20采集，反饋聲波由CX20106A組成的放大電路進(jìn)入F28335芯片2輸入引腳。發(fā)射后F28335芯片2關(guān)閉發(fā)射信號(hào)，調(diào)用內(nèi)部計(jì)數(shù)器開(kāi)始計(jì)時(shí)；當(dāng)接收信號(hào)的最后一個(gè)脈沖到來(lái)后，計(jì)數(shù)器停止計(jì)時(shí)，得到時(shí)間t，則無(wú)人機(jī)發(fā)射點(diǎn)與障礙物間的距離[S=vt2]。溫度T與超聲波速度對(duì)應(yīng)的關(guān)系v=331.5+0.607T，則[S=331.5+0.607Tt2]。

3.2 自主避障調(diào)整模塊

基于常見(jiàn)機(jī)器人行走避障系統(tǒng)的超聲波距離檢測(cè)的原理進(jìn)一步優(yōu)化，所述超聲波測(cè)距模塊包含5個(gè)超聲波距離傳感器，分別設(shè)置在無(wú)人機(jī)前、左、右、后、上五個(gè)方向，用于檢測(cè)無(wú)人機(jī)5個(gè)方向是否存在障礙物以及與障礙物之間的距離。5個(gè)超聲波距離傳感器的測(cè)距范圍[9]為20～600 cm。5個(gè)超聲波傳感器通過(guò)電路和軟件實(shí)現(xiàn)串口的半雙工串口通信，并且可設(shè)定地址，5個(gè)不同地址的傳感器掛載在同一個(gè)串口上，依次將距離數(shù)據(jù)發(fā)送至F28335芯片2預(yù)判。

自主避障模塊為嵌入式應(yīng)用程序，該程序從不同地址以軟件串口形式依次讀取相應(yīng)的超聲波測(cè)距傳感器所發(fā)送的距離數(shù)據(jù)，當(dāng)距離超過(guò)設(shè)定值時(shí)，F(xiàn)28335芯片及時(shí)校正AHRS信息來(lái)規(guī)避障礙物，繼續(xù)完成設(shè)定的任務(wù)[10]?；诙鄠€(gè)超聲波距離檢測(cè)的無(wú)人機(jī)自主避障程序流程圖如圖3所示?；?個(gè)方向超聲波距離檢測(cè)的無(wú)人機(jī)自主避障系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，失控飛行的風(fēng)險(xiǎn)大大降低，同時(shí)依次測(cè)距的簡(jiǎn)單算法設(shè)計(jì)減輕了嵌入式處理器F28335芯片的負(fù)荷，使得無(wú)人機(jī)的機(jī)動(dòng)性和執(zhí)行力增強(qiáng)。同時(shí)，無(wú)人機(jī)能夠較好地對(duì)障礙物進(jìn)行預(yù)先規(guī)避，自主調(diào)整飛行方向。

4 飛行試驗(yàn)

小型無(wú)人機(jī)導(dǎo)航系統(tǒng)和避障飛行試驗(yàn)通常采用Matlab建模仿真或?qū)嶋H飛行[11]。采用改進(jìn)的無(wú)人機(jī)燒錄程序以仿真和實(shí)際飛行驗(yàn)證了導(dǎo)航和避障的可靠性。飛行測(cè)試地點(diǎn)在合肥工業(yè)大學(xué)綜合體育館操場(chǎng)，圖4為無(wú)人機(jī)導(dǎo)航系統(tǒng)仿真和避障飛行測(cè)試路線，A為無(wú)人機(jī)的飛行起點(diǎn)，飛行路線按照1?2?3?4?1順序循環(huán)飛行。虛線為預(yù)設(shè)的無(wú)人機(jī)矩形飛行航線，其中避障測(cè)試內(nèi)容主要是飛行路線1?4區(qū)域建筑群障礙物，飛行路線預(yù)設(shè)四點(diǎn)（1，2，3，4），經(jīng)緯度坐標(biāo)為1（117°17′20.59″E，31° 50′52.10″N），2（117°17′23.89″E，31°50′52.54″N），3（117°17′24.15″E，31°50′48.90″N） ，4（117° 17′20.33″E，31°50′47.57″N）。

無(wú)人機(jī)的導(dǎo)航和避障程序針對(duì)不同風(fēng)速天氣累計(jì)有38次飛行測(cè)試不斷優(yōu)化算法，其中無(wú)風(fēng)狀態(tài)下11次，風(fēng)速小于 1.5 m/s 微風(fēng)狀態(tài)飛行了6次，風(fēng)速為1.5～4 m/s飛行了21次，無(wú)人機(jī)飛行高度30～80 m。飛行測(cè)試的內(nèi)容包括起飛、降落、數(shù)據(jù)通信、規(guī)避障礙物及導(dǎo)航精度測(cè)試等。每次飛行前設(shè)定航點(diǎn)坐標(biāo)，起降良好，能按預(yù)設(shè)飛行路線飛行，導(dǎo)航系統(tǒng)及避障飛行穩(wěn)定，懸停精確度平均位置偏差為?4～6 m。飛行試驗(yàn)中數(shù)據(jù)傳輸錯(cuò)誤，航拍效果良好，沒(méi)有同周邊建筑群發(fā)生碰撞，較好地完成了飛行任務(wù)。

5 結(jié) 論

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)為兩部分相對(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，實(shí)現(xiàn)了小型無(wú)人機(jī)的自主導(dǎo)航及避障飛行的預(yù)期功能，可廣泛應(yīng)用于航拍檢測(cè)領(lǐng)域。

參考文獻(xiàn)

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