楊 睿,趙梓杰,蘭天翔,鄒紅艷
(南京林業(yè)大學(xué) 機(jī)械電子工程學(xué)院,江蘇 南京 210018)
四旋翼無(wú)人機(jī)在當(dāng)代社會(huì)已經(jīng)有了較為廣泛的應(yīng)用,但是續(xù)航問(wèn)題還沒(méi)有得到很好的解決,一般無(wú)人機(jī)續(xù)航時(shí)間維持在10 min~20 min左右。因此,不少研究者提出一些方法以提升無(wú)人機(jī)的續(xù)航時(shí)間,例如利用無(wú)線(xiàn)充電等方式來(lái)延長(zhǎng)無(wú)人機(jī)工作時(shí)間[1,2],或者是通過(guò)使用燃料電池進(jìn)行續(xù)航[3]。張值勛等[4]提出通過(guò)算法提高無(wú)人機(jī)續(xù)航時(shí)間。但是有關(guān)無(wú)人機(jī)自動(dòng)返回?fù)Q電站更換電池的相關(guān)研究仍是較少。李海琳等[5]提出通過(guò)機(jī)器視覺(jué)和衛(wèi)星-慣性導(dǎo)航組合定位來(lái)返回移動(dòng)基站,但是成本較高。張帆等[6]對(duì)智慧換電平臺(tái)的設(shè)計(jì)作了簡(jiǎn)要說(shuō)明,但是缺少無(wú)人機(jī)返航方面相應(yīng)的論述。
超寬帶技術(shù)(Ultra-Wideband,UWB)由于擁有較低的系統(tǒng)復(fù)雜度、較低的發(fā)射信號(hào)功率譜密度、較好的測(cè)距能力等性能,近年來(lái)廣泛應(yīng)用于各種定位系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中[7-15]。因此,本文將UWB技術(shù)與基于航軌推算法的IMU(Inertial Measurement Unit)定位技術(shù)相融合,作為無(wú)人機(jī)空間定位方式,并通過(guò)視覺(jué)識(shí)別換電站上圖標(biāo)的方式進(jìn)行無(wú)人機(jī)???,彌補(bǔ)UWB技術(shù)和IMU技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)合中容易產(chǎn)生較大誤差的缺陷。
本文設(shè)計(jì)的飛行器首先使用UWB技術(shù)結(jié)合TDOA(Time Difference of Arrival,到達(dá)時(shí)間差)算法,通過(guò)4個(gè)地面基站與飛行器之間的通訊得出飛行器在空間中的坐標(biāo)作大范圍低精度的定位;然后使用攝像頭作小范圍高精度定位,通過(guò)對(duì)采集到的圖像進(jìn)行高斯濾波[16]結(jié)合霍夫變換法[17],得到換電站平面的圖形信息,從而準(zhǔn)確降落。
UWB定位系統(tǒng)主要用于無(wú)人機(jī)實(shí)時(shí)的空間坐標(biāo)獲取,由各自搭載NodeMCU-BU01開(kāi)發(fā)板的4個(gè)基站和1個(gè)搭載NodeMCU-BU01模塊作為定位信標(biāo)的無(wú)人機(jī)組成。UWB定位系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。
圖1 UWB定位系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖
無(wú)人機(jī)標(biāo)簽坐標(biāo)的獲取采用TDOA算法,通過(guò)檢測(cè)無(wú)人機(jī)發(fā)出信號(hào)到達(dá)多個(gè)時(shí)間戳精準(zhǔn)同步的基站的時(shí)間差來(lái)計(jì)算無(wú)人機(jī)的實(shí)際坐標(biāo)。根據(jù)數(shù)學(xué)規(guī)律,到達(dá)兩個(gè)不動(dòng)點(diǎn)的距離差為固定常數(shù)的點(diǎn)一定在以這兩個(gè)不動(dòng)點(diǎn)為焦點(diǎn)的雙曲線(xiàn)上?,F(xiàn)有基站1、2、3、4,則會(huì)有4條雙曲線(xiàn),且唯一都相交于無(wú)人機(jī)標(biāo)簽一點(diǎn)。算法示意圖如圖2所示。
圖2 TDOA算法原理示意圖
現(xiàn)假設(shè)基站與無(wú)人機(jī)搭載的定位標(biāo)簽時(shí)間戳同步,將4個(gè)基站和換電站的空間位置人為設(shè)置好。規(guī)定換電站的空間坐標(biāo)Sc=(xc,yc,zc)T。UWB定位解算出的無(wú)人機(jī)定位標(biāo)簽的空間坐標(biāo)為Sf1=(xf1,yf1,zf1)T?;緄的空間坐標(biāo)為Si=(xi,yi,zi)T,基站j的空間坐標(biāo)為Sj=(xj,yj,zj)T?;緄、基站j與無(wú)人機(jī)定位標(biāo)簽間的距離分別為Ri、Rj;Rij為基站i、基站j與定位標(biāo)簽的距離之差。當(dāng)定位標(biāo)簽發(fā)出信號(hào)后,基站i與基站j接收到的時(shí)間分別為ti、tj;tij為基站i收到定位標(biāo)簽發(fā)出信號(hào)的時(shí)間與基站j收到定位標(biāo)簽發(fā)出信號(hào)的時(shí)間之差。當(dāng)i=4時(shí),j=1;否則,j=i+1;i,j=1,2,3,4。規(guī)定電磁波的傳播速度為C,則可以得到以下公式:
Rij=tij×C.
(1)
(2)
(3)
其中:Rij=Ri-Rj;tij=ti-tj。
(4)
(5)
由Rij=Ri-Rj可得:
(6)
將式(4)、式(5)代入式(6)中可得:
(7)
其中:xij=xi-xj;yij=yi-yj;zij=zi-zj。當(dāng)i=4時(shí),j=1;否則,j=i+1;i,j=1,2,3,4。
最終代入數(shù)據(jù)求解式(7),可解得無(wú)人機(jī)定位標(biāo)簽的空間坐標(biāo)Sf1=(xf1,yf1,zf1)T。
IMU是慣性測(cè)量單元的縮寫(xiě),IMU結(jié)合了陀螺儀和加速度計(jì),可以測(cè)量運(yùn)動(dòng)物體的矢量加速度和三軸角速度,廣泛應(yīng)用于無(wú)人機(jī)飛行控制。
IMU定位基于航軌推算法,即通過(guò)無(wú)人機(jī)前一時(shí)刻位置坐標(biāo)及運(yùn)動(dòng)狀態(tài)推算出當(dāng)前目標(biāo)的位置坐標(biāo)。反映在公式上表達(dá)如下:
(8)
其中:Sinit和Sf2分別為無(wú)人機(jī)的前一時(shí)刻位置坐標(biāo)和IMU定位推算出的當(dāng)前位置坐標(biāo),分別為(xinit,yinit,zinit)T和(xf2,yf2,zf2)T;v為IMU解算得到的無(wú)人機(jī)前一時(shí)刻空間速度矢量,為(vx,vy,vz)T;a為無(wú)人機(jī)前一時(shí)刻空間加速度矢量,為(ax,ay,az)T;T為系統(tǒng)采樣時(shí)間。每一次計(jì)算出的當(dāng)前位置坐標(biāo)都作為下一刻的前一時(shí)刻坐標(biāo)。
基于TDOA的UWB定位需要信標(biāo)與基站的定位模塊時(shí)間戳完全同步,且信號(hào)的傳輸會(huì)受到較大的環(huán)境影響。而IMU定位是基于運(yùn)動(dòng)積分進(jìn)行的,因此歷史中的定位誤差會(huì)不斷累積體現(xiàn)在新的定位數(shù)據(jù)中,隨著時(shí)間的變化,定位精度不斷下降。將UWB和IMU定位進(jìn)行融合,可以很好地彌補(bǔ)各自的缺陷。UWB和IMU定位算法更新過(guò)程如圖3所示。
UWB定位解算出無(wú)人機(jī)坐標(biāo)Sf1=(xf1,yf1,zf1)T,IMU定位推算出無(wú)人機(jī)坐標(biāo)Sf2=(xf2,yf2,zf2)T。Sf1乘以權(quán)值B,Sf2乘以權(quán)值A(chǔ),兩者求和得出無(wú)人機(jī)的解算坐標(biāo)Sf=(xf,yf,zf)T,并將無(wú)人機(jī)的解算坐標(biāo)作為下一次IMU定位坐標(biāo)推算的前一時(shí)刻位置坐標(biāo)。權(quán)值A(chǔ)、B根據(jù)實(shí)際系統(tǒng)調(diào)節(jié)而定。上述計(jì)算用公式表達(dá)如下:
Sf=ASf2+BSf1.
(9)
A=1-B.
(10)
無(wú)人機(jī)執(zhí)行返航動(dòng)作后,實(shí)時(shí)比較無(wú)人機(jī)的空間坐標(biāo)和換電站的坐標(biāo)數(shù)據(jù);當(dāng)xf≈xc,yf≈yc,zf-zc≈X時(shí),開(kāi)始執(zhí)行視覺(jué)輔助定位。其中,X為無(wú)人機(jī)距離換電站的豎直高度,根據(jù)實(shí)際系統(tǒng)的情況而定,確保攝像頭能捕捉到換電站上的圖形標(biāo)志。
由于高度的測(cè)量難以進(jìn)行,因此本系統(tǒng)在學(xué)校操場(chǎng)進(jìn)行二維平面上的實(shí)驗(yàn)。由人拿著定位標(biāo)簽代替無(wú)人機(jī)。式(9)中的權(quán)值參數(shù)設(shè)置為:A=0.3,B=0.7。相關(guān)坐標(biāo)設(shè)置如表1所示。
表1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)坐標(biāo)設(shè)置 m
系統(tǒng)啟動(dòng)后,對(duì)定位誤差記錄如圖4、圖5所示。
圖4 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)橫坐標(biāo)推算誤差
圖5 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)縱坐標(biāo)推算誤差
圖4、圖5為實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)誤差。從圖4和圖5中可以得出,UWB系統(tǒng)解算得出的坐標(biāo)誤差不穩(wěn)定,在0~11 cm左右。在采樣時(shí)間為4 min時(shí),橫、縱坐標(biāo)的解算誤差達(dá)到最大,此時(shí)是由于基站2與無(wú)人機(jī)定位信標(biāo)的信號(hào)直線(xiàn)傳輸路徑被一擋板截?cái)?,由此可?jiàn)UWB定位系統(tǒng)受環(huán)境條件影響較大。IMU系統(tǒng)推算出的坐標(biāo)雖然一開(kāi)始誤差較小,但是隨著時(shí)間變化,誤差逐漸增大。將UWB和IMU定位技術(shù)融合后,補(bǔ)足了兩種方法各自的缺陷,減小了系統(tǒng)誤差,使其基本穩(wěn)定在0~9 cm左右。
視覺(jué)部分采用樹(shù)莓派、攝像頭結(jié)合OpenCV對(duì)換電站平臺(tái)上的圖形進(jìn)行檢測(cè)識(shí)別,平臺(tái)表面示意圖如圖6所示。
圖6 換電站平臺(tái)示意圖
換電站正方形平臺(tái)為全黑色,中間從上至下分別有綠、紅、白三個(gè)圓形標(biāo)記,紅色圓心標(biāo)記位于平臺(tái)的正中央。檢測(cè)識(shí)別流程如圖7所示。
圖7 視覺(jué)定位檢測(cè)識(shí)別流程圖
在攝像頭開(kāi)始工作后,將采集到的每幀圖像拷貝一份,并將拷貝的圖像灰度化,通過(guò)高斯濾波減少圖像中的噪點(diǎn)。再通過(guò)霍夫變換法檢測(cè)出灰度圖中的圓。隨后將圓在灰度圖中的區(qū)域標(biāo)記在原始圖像上,并檢測(cè)圓形區(qū)域內(nèi)的顏色,同時(shí)提取三個(gè)圓的中心坐標(biāo)。
當(dāng)三個(gè)中心圓的橫坐標(biāo)未能保持在正方形平臺(tái)的中間,或紅色圓的圓形坐標(biāo)未能處于正方形平臺(tái)的正中心,或圖像中從上至下并非是綠、紅、白的順序,則不滿(mǎn)足要求,無(wú)人機(jī)需根據(jù)參數(shù)情況進(jìn)行平移或者旋轉(zhuǎn)直至要求滿(mǎn)足,視覺(jué)輔助定位部分結(jié)束。
通過(guò)霍夫變換法對(duì)圖6中的圓進(jìn)行檢測(cè),提取出中心坐標(biāo)。檢測(cè)數(shù)據(jù)如表2所示。根據(jù)圖6,給圖中圓自上而下編號(hào)為圓1、圓2、圓3。
由圖6和表2可知,實(shí)驗(yàn)結(jié)果準(zhǔn)確,視覺(jué)輔助定位方法可行。
表2 圓檢測(cè)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)
在無(wú)人機(jī)自動(dòng)換電系統(tǒng)中,電源結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與換電過(guò)程關(guān)聯(lián)緊密,為保證換電過(guò)程的順利進(jìn)行,無(wú)人機(jī)端的微型處理器必須保持全程帶電不停機(jī)的狀態(tài),為此設(shè)計(jì)大、小雙電池方案來(lái)構(gòu)建無(wú)人機(jī)的電源系統(tǒng)。
大電池為無(wú)人機(jī)的主電源部分,為11.2 V鋰電池,為無(wú)人機(jī)上所有設(shè)備供電。該電池設(shè)計(jì)為由電磁卡扣與機(jī)身連接的快速拆卸形式,方便在換電時(shí)電池快速脫落以及新電池的安裝。電池的兩個(gè)電源觸點(diǎn)與無(wú)人機(jī)電源系統(tǒng)之間使用接觸式彈簧觸點(diǎn)連接,在保證良好的電流供應(yīng)前提下做到了電池的快拆卸設(shè)計(jì),如圖8所示。
圖8 無(wú)人機(jī)主電池部分結(jié)構(gòu)圖
副電池是無(wú)人機(jī)的備用電池,其容量較小。副電池保證無(wú)人機(jī)系統(tǒng)在大電池脫落的情況下,與換電過(guò)程直接相關(guān)的器件有充足的電力供應(yīng)。在本系統(tǒng)中,以一塊超級(jí)電容作為無(wú)人機(jī)的副電池,其最大的特點(diǎn)是支持的充放電電流極大,完全可以滿(mǎn)足短時(shí)間大電流工作需求。
主電池需通過(guò)BUCK降壓DC-DC電路[18]進(jìn)行降壓,從而為無(wú)人機(jī)內(nèi)部所有低壓器件進(jìn)行供電。副電池的放電端需設(shè)置BOOST升壓DC-DC電路[19],使輸出到系統(tǒng)的電壓維持穩(wěn)定。主、副電池的電路結(jié)構(gòu)如圖9所示。
圖9 主、副電池電路結(jié)構(gòu)圖
本文設(shè)計(jì)了一套無(wú)人機(jī)自動(dòng)換電的理論定位系統(tǒng),通過(guò)UWB和IMU融合定位技術(shù)和圖像處理技術(shù)確保無(wú)人機(jī)在電池低壓后能夠自動(dòng)地返回?fù)Q電站進(jìn)行電池更換。在室外環(huán)境下,UWB和IMU融合定位技術(shù)可以控制定位誤差在0~9 cm左右,基本滿(mǎn)足定位的需求。通過(guò)研究分析,本文提出的方案雖然仍未解決無(wú)人機(jī)延長(zhǎng)供電時(shí)間等問(wèn)題,但是可以通過(guò)自動(dòng)檢測(cè)并更換電池,達(dá)到更長(zhǎng)時(shí)間持續(xù)執(zhí)行任務(wù)的效果,對(duì)于無(wú)人機(jī)監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域具有一定的意義。