基于AVR通用多旋翼避障系統(tǒng)的設(shè)計

作者 / 彭華廈、易鑫，湖南工業(yè)大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院基金項目：地方高校國家級大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃項目 項目編號：201511535004

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基于AVR通用多旋翼避障系統(tǒng)的設(shè)計

作者 / 彭華廈、易鑫，湖南工業(yè)大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院
基金項目：地方高校國家級大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃項目 項目編號：201511535004

提出一種基于AVR芯片的多旋翼通用避障系統(tǒng)設(shè)計方法和具體實現(xiàn)方案。避障系統(tǒng)采用ATMEGA2560-16AU芯片作為主控制器，通過I/O中斷方式讀取遙控信號，保證了控制階段與避障階段的實時性。文中介紹了系統(tǒng)硬件規(guī)劃，并給出多旋翼避障的程序設(shè)計流程，通過實驗證明，通用避障系統(tǒng)性能優(yōu)良，為多旋翼自主飛行提供了一個可靠的思路。

多旋翼無人機；自主避障；系統(tǒng)設(shè)計；超聲波

引言

隨著科技進(jìn)步和低空領(lǐng)域的開放，多旋翼無人機將會在軍事與民用領(lǐng)域具備廣泛的運用前景。近年來，國內(nèi)外各大研究機構(gòu)都對多旋翼無人機展開了研究，多旋翼無人機得到了迅速的發(fā)展。多旋翼無人機可用于軍事治安、環(huán)境監(jiān)控、災(zāi)害勘察等領(lǐng)域。但由于應(yīng)用環(huán)境復(fù)雜，因而實現(xiàn)多旋翼飛行中自主避障具備重要意義。然而在多旋翼無人機避障過程中要涉及到無人機飛行器環(huán)境感知，控制信號讀取，控制信號輸出等相關(guān)控制運算，因此對控制器提出了一定的要求。

現(xiàn)有的多旋翼無人機避障系統(tǒng)多基于STM32與飛行控制系統(tǒng)耦合為一個整體，對于此類多旋翼避障系統(tǒng)其控制周期內(nèi)需要完成數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、控制運算、控制輸出，極高的運算負(fù)載在一定程度上影響了系統(tǒng)的可靠性［1］。本文通過設(shè)計一種通用多旋翼避障系統(tǒng)，針對性的解決了這種問題。系統(tǒng)采用了一片ATMEGA2560-16AU芯片作為主控制器，與飛行控制器隔離開來，單獨處理避障程序，同時控制飛控，完成多旋翼無人機的避障過程。

1. 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

■1.1 系統(tǒng)設(shè)計

通用多旋翼無人機避障系統(tǒng)較為簡明，系統(tǒng)需要三大模塊：測距模塊、單片機模塊、電源模塊。為達(dá)到多旋翼避障無人機的避障要求，同時還需要進(jìn)行一定的避障算法編寫。

為滿足以上自主避障系統(tǒng)要求，避障系統(tǒng)的硬件部分就要進(jìn)行一定的篩選，若要得到很好的避障效果，控制器的反應(yīng)速度，測距響應(yīng)時間都是極為重要的考慮因素，為了實現(xiàn)較為良好的避障效果，本文選用了高性能的AVR單片機芯片，實時性較強的超聲波測距傳感器，以及供電模塊。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

■1.2 硬件選型

主控芯片：主控芯片選用了ATMEGA2560-16AU芯片作為主控制器，ATMEGA2560-16AU作為8位AVR處理器，具有16MHz的運行速度，56路數(shù)字I/O接口，其中14路PWM接口，16 路模擬輸入接口，4 路 UART 接口，6 路外部中斷，4 路串口通信，4 路 SPI 通信接口， 支持I2C 通信，串口通信，SPI 通信，有3.3V 和5V 兩種電源接口，適用于大量I/O接口設(shè)計和 PWM 需求［2］。

超聲波測距模塊：選用了HC-SR04超聲波測距模塊，HC-SR04具有優(yōu)秀的測距性能（2cm-450cm） ，精度為0.2cm，自動標(biāo)定與障礙物的距離，無需人工干預(yù)。模塊采用TRIG I/O口觸發(fā)測距，AVR觸發(fā)測距前發(fā)送2μs低電平，再發(fā)送10μs高電平，超聲波模塊發(fā)送8個40kHz的方波，有信號返回時則通過ECHO I/O輸出一個高電平，電平持續(xù)時間即為超聲波的往返時間。高電平持續(xù)時間除以58即可測得多旋翼與障礙物的距離。

電源模塊：在本電源方案中采用LM317集成穩(wěn)壓芯片的方案，LM317是固定集成穩(wěn)壓器芯片，對外圍電路進(jìn)行一定的改進(jìn)設(shè)計，可以達(dá)到大范圍的輸出電壓調(diào)整，不僅能滿足一般小功率設(shè)備對直流電源的要求，還能滿足教學(xué)上各種綜合實驗的需要，是各類電子技術(shù)及相關(guān)專業(yè)開展綜合整機線路設(shè)計的理想器件之一［3］。

2. 系統(tǒng)軟件的實現(xiàn)

本系統(tǒng)基于AVR編寫軟件平臺進(jìn)行開發(fā)，采用C語言進(jìn)行編程實現(xiàn)，主要分為遙控接收機信號讀取、超聲波測距、避障算法的三部分軟件設(shè)計。其總體流程圖如圖2所示。

■2.1 接收機信號讀取

主控芯片對接收機信號的讀取實時性要求較高，故采用了中斷方式讀取接收機信號的方式，這種方式減少了主控芯片的運算量，提高了實時性。信號讀取流程圖如圖3所示。

■2.2 超聲波測距

超聲波測距部分為保持實時性采用了輪詢模式，保證了實時獲取環(huán)境數(shù)據(jù)。其測距流程如圖4所示。

圖2 系統(tǒng)流程圖

圖3 信號讀取流程圖

圖4 超聲波測距流程圖

■2.3 避障算法

多旋翼完成避障過程中避障算法顯得較為重要，采用合理的避障算法能有效的提升整套系統(tǒng)的質(zhì)量。

在控制系統(tǒng)工程中通常采用比例積分微分控制算法（PID）PID調(diào)節(jié)在各控制工程中應(yīng)用廣泛，具有較為完善的調(diào)節(jié)器功能，通常較為穩(wěn)定可靠，但本系統(tǒng)作為通用多旋翼避障系統(tǒng)，多旋翼無人機飛控系統(tǒng)本身就具有PID控制算法，因此在本系統(tǒng)中并不適用。應(yīng)選用較為調(diào)節(jié)迅速，簡單穩(wěn)定可靠的調(diào)節(jié)算法。在多旋翼避障系統(tǒng)中追求反應(yīng)迅速，避免出現(xiàn)滯待現(xiàn)象，故采用了控制工程中較為常用的比例調(diào)節(jié)（P）算法。即多旋翼避障系統(tǒng)控制輸出信號C（t）能成規(guī)律地反應(yīng)環(huán)境參數(shù)ε。即：

C（t）=I（t）±（Kp×ε）

其中I（t）為輸入?yún)?shù)，kp為比例系數(shù)。公式中正負(fù)符號由避障方向決定。

等量帶入避障系統(tǒng)算法中即：

Outpwm=Inpwm±（Kp×ual）（1）

其中：ual=Kd-d（2）

其中Kd為設(shè)定避障觸發(fā)值，d為當(dāng)前與障礙物的距離。依據(jù)公式（1）、（2）可推導(dǎo)得出避障算法公式為：

Outpwm=Inpwm±（Kp-d）×Kp

推導(dǎo)公式后只需給定其避障反應(yīng)值Kd，與比例定值Kp即可。

依據(jù)公式給定多旋翼飛行軌跡向前，設(shè)Onpwm=1600，給定避障響應(yīng)距離Kd=130cm，變量為與障礙物距離d，比例定值Kp為4進(jìn)行分析。分析圖如圖5所示。

由分析可知，該控制規(guī)律簡單有效，可用于通用多旋翼避障系統(tǒng)當(dāng)中。避障子程序流程圖如圖6所示。

圖5 測試分析圖

圖6 避障子程序流程圖

3. 試驗結(jié)果

為了保證系統(tǒng)具有可行性以及良好的避障效果，選用了六旋翼無人機進(jìn)行了實驗室環(huán)境測試，如圖7所示。

依據(jù)測試結(jié)果表明，通用多旋翼避障系統(tǒng)能實現(xiàn)預(yù)期設(shè)定目標(biāo)，控制多旋翼成功避開障礙物，試驗過程中系統(tǒng)保持了良好的穩(wěn)定性以及較為優(yōu)秀的反應(yīng)速度，距離與反應(yīng)時間如圖8所示。

圖7 避障測試

圖8 距離與反應(yīng)時間折線圖

本文提出一種通用多旋翼避障系統(tǒng)的設(shè)計方案，從硬件與軟件部分說明了設(shè)計方案以及過程，試驗結(jié)果表明該通用多旋翼避障系統(tǒng)具有較好的穩(wěn)定性，能夠成功感知周圍環(huán)境并控制多旋翼無人機躲避障礙物，達(dá)到了預(yù)期要求，為多旋翼無人機自主飛行奠定了一定的基礎(chǔ)。

＊ ［1］袁安富，徐金琦，王偉，馬浩. 基于雙STM32多旋翼無人機控制系統(tǒng)設(shè)計［J］. 電子技術(shù)應(yīng)用，2013，11：136-138.

＊ ［2］牛犇，朱文章，沈漢鑫，沈亞鋒，張帆，謝立寅. 基于ATme ga2560的多傳感器紅外遙控智能LED控制器［J］. 照明工程學(xué)報，2015，05：37-41.

＊ ［3］安玉，傅興華，吳有林. LM317可調(diào)式集成穩(wěn)壓電源的設(shè)計［J］.遵義師范學(xué)院學(xué)報，2008，06：57-58+61.