旋翼無人機(jī)位姿控制與自主返航技術(shù)

楊寒石，張楚晗

（黑龍江大學(xué)，黑龍江哈爾濱 150000）

0 引言

目前大部分無人機(jī)使用GPS 的定位技術(shù)進(jìn)行控制路線，基于視覺導(dǎo)航進(jìn)行控制旋翼無人機(jī)，要求旋翼無人機(jī)的前部和底部安裝攝像頭進(jìn)行圖像采集。

1 旋翼無人機(jī)傾斜調(diào)度測量

重點(diǎn)介紹無人機(jī)的慣導(dǎo)和氣壓硬件，旋翼無人機(jī)在飛行過程中會有不同的姿態(tài)，在測量姿態(tài)的過程中用到慣導(dǎo)中的加速計(jì)和陀螺儀，如圖1 所示，假設(shè)在無人機(jī)飛行過程中飛機(jī)的傾斜角度為θ，則在X 軸的加速度為X=-gsinθ，Z 軸的加速度為Z=gcosθ，可以得到θ=arctan（-X/Z）。但是在無人機(jī)飛行過程中由于環(huán)境因素導(dǎo)致加速不穩(wěn)定，則需要陀螺儀進(jìn)行角速度ω 的測試，其中θ 和ω 的關(guān)系可以通過來計(jì)算，所以在估算飛機(jī)傾斜角度的時(shí)候需要加速計(jì)和陀螺儀密切配合。

2 旋翼無人機(jī)傾斜高度測量

在物理學(xué)中可以通過大氣壓來估計(jì)無人機(jī)飛行的高度公式為-ρgdh=dP（2.1），理想氣體方程為ρRT=MP（2.2），其中ρ 為密度，g 為加速度，P 為氣壓，R 是常數(shù)，T 是飛行溫度，M 是摩爾質(zhì)量，可以得出h=-RTdP/gMPd（2.3），則可以通過無人機(jī)測量出的飛行數(shù)據(jù)，得到無人機(jī)飛行的高度。

3 傳統(tǒng)的姿態(tài)控制和位置控制

參考姿態(tài)和通過算法計(jì)算的的姿態(tài)相減，可以得到具體的Δα 和Δα，無人機(jī)的參考姿態(tài)是人工輸入，將Δα、Δα 輸入到姿態(tài)控制器中，主要是為了讓無人機(jī)的實(shí)際角度盡量接近參考姿態(tài)，姿態(tài)控制器將數(shù)據(jù)輸入到無人機(jī)中，控制飛機(jī)。

現(xiàn)在市面上的無人機(jī)都是基于GPS 的，提前設(shè)定好信號，然后通過GPS 進(jìn)行控制，然后通過遙控?zé)o人機(jī)，無人機(jī)接收到信號后進(jìn)行返航，或者設(shè)定好具體路線后，進(jìn)行返航。

4 無人機(jī)控制算法

重點(diǎn)介紹無人機(jī)的控制算法，無人機(jī)通過投影的方法來獲取具體的偏移量，然后可以通過偏移量來計(jì)算無人機(jī)需要進(jìn)行姿態(tài)控制時(shí)偏移的大小，控制無人機(jī)的角度和速度，在控制角度和速度的時(shí)候通過控制器進(jìn)行輸出，輸出具體的基本信息，無人機(jī)控制算法最重要的一點(diǎn)就是進(jìn)行定點(diǎn)控制，定點(diǎn)控制需要使用PID 控制器，具體的控制圖如圖1 所示。

假設(shè)無人機(jī)底部攝像頭捕獲的圖像中僅有一個地標(biāo)，無人機(jī)參照這個地標(biāo)進(jìn)行定點(diǎn)懸停，則需要在圖像處理模塊中計(jì)算無人機(jī)機(jī)身投影點(diǎn)與地標(biāo)的相對位置ΔS=（Sx，Sy），然后由PID控制器分別對Sx，Sy做PID 控制，更新結(jié)果得到參考俯仰角、橫滾角，之后的對于姿態(tài)的內(nèi)環(huán)控制由旋翼無人機(jī)機(jī)載的嵌入式系統(tǒng)完成，即有公式（1）。

圖1 基于圖像的無人機(jī)控制圖

飛機(jī)的高度控制也是很重要的一個參數(shù)，在飛機(jī)高度控制中一般采取兩個方案：

（1）飛機(jī)可以安裝一個高度測量機(jī)，根據(jù)氣壓進(jìn)行推算出飛機(jī)目前的高度，測量出飛機(jī)目前的高度后和參考高度作差可以計(jì)算出偏移量，然后進(jìn)行PID 控制，輸出的具體參數(shù)可以調(diào)節(jié)飛機(jī)的高度做內(nèi)環(huán)控制。

（2）使用飛機(jī)的攝像頭進(jìn)行拍照，拍照后能夠計(jì)算物體的面積，計(jì)算出來的面積和物體的實(shí)際面積進(jìn)行比較，引入一個參考面積，如果計(jì)算出的面積大，說明飛機(jī)需要上升，如果計(jì)算出的面積小需要進(jìn)行下降，參考面積可以人工設(shè)置，也可以是飛機(jī)在特定高度拍照的面積，然后通過參考面積來控制飛機(jī)的飛行高度，例如在300 m 巡航是飛機(jī)拍攝的物體A 面積是100 m2，如果現(xiàn)在飛機(jī)拍照的照片是200 m2說明飛機(jī)還沒飛到300 m 的高度，需要提高高度，如果拍照的是50 m2，說明飛機(jī)飛機(jī)的高度高于300 m，需要降低高度。需要注意的是，如前文所闡述的，物體的實(shí)際長度與像素點(diǎn)長度、無人機(jī)高度成正比，則可知物體的實(shí)際面積將會與像素點(diǎn)的面積與無人機(jī)高度的平方成正比，則可知物體的實(shí)際面積將會與像素點(diǎn)的面積與無人機(jī)高度的平方成正比。于是我們根據(jù)面積計(jì)算高度差時(shí)需要先對圖像中地標(biāo)面積與參考面積開平方根，再作差進(jìn)行PID 控制，即得出式（2）。

此外，飛機(jī)的底部是有一個攝像頭的，攝像頭可以拍攝圖片，并且可以運(yùn)用光流算法估算飛機(jī)的速度，因此可以在姿態(tài)控制和位置控制之間再加一個速度控制，能夠控制飛機(jī)速度，控制框圖如圖2所示。

通過參考速度的方案能夠很好地控制飛機(jī)的姿態(tài)，但是也有一些問題，例如會帶來工作量的增加，因?yàn)橐粋€PID 控制器中就至少有三個參數(shù)，分別是比例、積分和微分；并且PID 的控制不是特別準(zhǔn)確，因?yàn)樵诳刂频臅r(shí)候可能由于速度或者角度問題導(dǎo)致速度過快，或者角度偏移過大，導(dǎo)致飛機(jī)異常，所以為了飛機(jī)正常飛行，需要針對角度和速度進(jìn)行限制，在限制的時(shí)候需要加入一些控制飛機(jī)飛行角度和速度的算法，另外，由于旋翼無人機(jī)的物理特性表示其系統(tǒng)為非線性系統(tǒng)，從理論上來說可以考慮使用非線性控制算法進(jìn)行控制。

5 融合圖像、航速的無人機(jī)自主返航算法設(shè)計(jì)

在無人機(jī)返航中需要用到融合圖像和航速的算法進(jìn)行設(shè)計(jì)，通過光流法可以預(yù)測飛機(jī)的速度，然后通過對速度積分來獲取飛機(jī)的位置，能夠獲取比較準(zhǔn)確的相對位置，雖然獲取了位置，但是在飛機(jī)飛行過程中肯定會有一些誤差，例如漂移導(dǎo)致的飛行誤差，所以只根據(jù)速度積分獲取的信息肯定不準(zhǔn)確。可以依靠圖片的關(guān)鍵幀來獲取路徑，通過關(guān)鍵幀來獲取肯定能夠獲取比較準(zhǔn)確的位置信息，但是由于照片拍攝的間隔時(shí)間可能過長，導(dǎo)致信息不準(zhǔn)確，如果降低拍攝間隔，就會導(dǎo)致照片特別多，浪費(fèi)存儲空間。針對這兩種方案進(jìn)行了整合，在去目的地時(shí)，根據(jù)速度積分進(jìn)行測算，并且攝像頭會進(jìn)行拍照，將照片進(jìn)行存儲，來分析相對位置；在從目的地返回時(shí)，飛機(jī)首先根據(jù)去程時(shí)記錄的關(guān)鍵幀到達(dá)關(guān)鍵幀附件，然后根據(jù)參考圖像進(jìn)行懸停。然后一直重復(fù)這個過程到達(dá)起始點(diǎn)。

在程序的頂層控制中，采用狀態(tài)機(jī)的控制方法，具體的流程如圖3 所示。在定義過程中文中的0 代表去目的地的記錄狀態(tài)，數(shù)字1 代表根據(jù)速度進(jìn)行導(dǎo)航的狀態(tài)，狀態(tài)2 為無人機(jī)基于圖像匹配進(jìn)行懸停的狀態(tài)。初始時(shí)控制程序處于狀態(tài)0，此時(shí)人為遙控?zé)o人機(jī)或根據(jù)事先預(yù)定的位置關(guān)鍵點(diǎn)控制無人機(jī)前進(jìn)，如果到達(dá)終點(diǎn)則轉(zhuǎn)為狀態(tài)2，否則持續(xù)狀態(tài)0；在狀態(tài)2 下不停地與參考圖像進(jìn)行匹配，如果匹配結(jié)果非常接近，即旋轉(zhuǎn)角與偏移向量都足夠小，則轉(zhuǎn)為狀態(tài)1，否則持續(xù)狀態(tài)2；在狀態(tài)1 下不停地用里程計(jì)與關(guān)鍵幀之間的參考位移進(jìn)行比較，如果到達(dá)了下一關(guān)鍵幀附近，則轉(zhuǎn)到狀態(tài)2，否則持續(xù)執(zhí)行狀態(tài)1。

圖2 基于圖像和速度的無人機(jī)控制圖

圖3 自主返航狀態(tài)機(jī)控制方法

圖4 自主返航流程

返航過程中的算法流程如圖4 所示，用一個狀態(tài)機(jī)控制器控制無人機(jī)在狀態(tài)1 基于速度導(dǎo)航和狀態(tài)2 基于圖像匹配懸停之間切換。初始時(shí)index=n，無人機(jī)進(jìn)入狀態(tài)2。

6 結(jié)束語

首先介紹無人機(jī)的基礎(chǔ)模型，然后分析具體無人機(jī)在姿態(tài)控制和返航中需要使用到無人機(jī)的硬件設(shè)備，并且重點(diǎn)研究飛行中的算法控制。完成飛機(jī)具體的姿態(tài)控制和飛行軌跡的設(shè)定。