用超聲波測距的四旋翼無人機三維防撞系統設計*

陳根華,黎嘉明,葛旭文

(南昌工程學院信息工程學院,南昌330099)

用超聲波測距的四旋翼無人機三維防撞系統設計*

陳根華,黎嘉明,葛旭文

(南昌工程學院信息工程學院,南昌330099)

針對四旋翼無人機碰撞事故多發的問題,設計了一款基于超聲波測距原理的四旋翼無人機三維防撞系統。本系統利用超聲波技術實現測距,將無人機與周圍障礙間三維空間方向上的距離信息采集到控制系統,控制系統根據距離信息控制懸停信號與遙控信號,實現無人機自主防撞,最后通過試驗證明了該系統的正確性與合理性。該系統滿足了四旋翼無人機安全防撞要求,且具有重量輕、體積小、精度高、安全可靠等特點。

四旋翼無人機;超聲波測距;三維防撞系統

引 言

隨著無人飛行器技術的不斷發展,四旋翼無人機作為方便靈活的運載工具,廣泛應用于航拍、工程監測、大壩安檢等領域[1]。由于四旋翼無人機自身條件的制約,極易受飛行環境的影響,而且,無人機操控者因視覺誤差或操作失誤,也會導致碰撞發生,以上因素嚴重限制了四旋翼無人機在復雜惡劣環境中的應用。目前,四旋翼無人機普遍采用保護架、降落傘等硬件保護措施[2],但是在遭遇猛烈碰撞時,仍然會嚴重受損,且大大增加了無人機重量,縮短了其續航時間,因此,設計一款無人機自主防撞系統具有重要工程意義。

針對現有四旋翼無人機保護措施無法避免碰撞意外發生的問題,本文設計了安全防撞距離可調的四旋翼無人機三維防撞系統。該系統利用超聲波測距技術,測量無人機與周圍障礙間三維空間方向上的距離,并設計自主防撞算法,確定懸停信號的產生,控制無人機的飛行狀態,實現自主防撞。

1 系統工作原理

1.1 超聲波測距原理

超聲波是指頻率大于20 k Hz的聲波[3],其方向性好,易于定向發射,常用于非接觸式測量領域。超聲波測距的方法主要有相位檢測法、聲波幅值檢測法、時間渡越法,本文選用時間渡越法測量三維空間方向距離。時間渡越法是由硬件或軟件產生多個脈沖的40 k Hz方波信號,經過功率放大后送到超聲波發射探頭,發射探頭發出多個脈沖的40 k Hz超聲波信號。超聲波借助空氣介質進行傳播,遇到障礙物后反射,超聲波接收探頭接收反射回來的聲波信號,其超聲波傳播所經歷的時間與超聲波傳播距離有關。因此,通過超聲波傳播時間,可計算出障礙物與超聲波探頭間的實際距離。超聲波測距原理如圖1所示。障礙物與超聲波探頭間的實際距離S為[3-4]:

其中T為超聲波傳播時間,C為超聲波傳播速度。

圖1 超聲波測距原理

由于超聲波傳播速度與溫度、空氣介質的成分、空氣濃度有關,但溫度對超聲波傳播速度的影響最大。為了保證超聲波測距的精度,需要考慮溫度對超聲波傳播速度的影響[4]。超聲波傳播速度與溫度的關系為:

C=331.5+0.606T

其中C為超聲波傳播速度;單位為m/s;T為溫度,單位為℃。

1.2 自主防撞算法及實現

設超聲波測距模塊測得的三維距離分別為Rx、Ry、Rz,安全防撞距離分別設置為Sx、Sy、Sz,定義懸停觸發變量FFc為:

遙控發射機與接收機利用脈沖調制技術實現信號的傳輸與識別。大多數無人機遙控器利用PPM信號進行信號傳輸,在接收機端經解碼轉化為各通道PWM信號。飛控根據PWM信號信息,控制無人機飛行。

下面詳細介紹飛控信號的參數特征。本系統PPM信號的幀信號周期為20 ms,其中通道數為10。PPM信號經解碼后得到PWM信號,其信號周期為20 ms,脈沖寬度為1～2 ms。飛控根據上/下、前/后、左/右三條通道的脈沖寬度,決定無人機的飛行方向。當PWM信號脈寬為1.5 ms時[1-2],為靜止點,即無人機處于懸停狀態。本系統正是利用這一特性,對無人機方向進行分析與控制。

本系統作用于飛控與接收機之間,控制傳入飛控的方向信號。當懸停觸發變量FFc=1時,單片機控制CD4066切斷接收機方向信號,導入由單片機產生的脈寬為1.5 ms的懸停信號,使無人機處于懸停狀態。同時,單片機監測接收機方向信號的脈寬,并根據脈寬信息確定是否重新導入接收機信號,從而達到自主防撞的目的。自主防撞設計實現示意圖如圖2所示。

圖2 三維自主防撞設計示意圖

2 系統總體設計

本系統采用5個TCT40-16T/R超聲波傳感器,對三維空間方向距離進行測量。系統主要由恩智浦公司的MK60FX512VLQ15單片機[4]、超聲波發射接收電路、信號開關電路、溫度補償檢測電路、聲光報警電路、人機交互電路組成,如圖3所示。其中MK60FX512VLQ15單片機作為控制器,負責采集超聲波距離信號、分析多旋翼無人機遙控接收機PWM信號、控制懸停信號與接收機信號的信號開關、超聲波距離信息溫度補償、聲光報警、數據顯示、按鍵消息處理等任務;CD4066多路模擬開關組成信號開關電路,對懸停信號與接收機信號進行導入與切斷; DS18B20溫度傳感器組成溫度補償電路,對超聲波距離信息進行溫度補償;OLED12864液晶與鍵盤輸入模塊組成人機交互電路,方便用戶對系統進行調試。

圖3 系統總體設計功能框圖

3 系統硬件設計

3.1 超聲波發射電路

超聲波發射探頭發射電路需要產生40 k Hz、占空比為50%的方波,且驅動能力很高。產生40 k Hz方波的方法有硬件電路法和軟件法,本系統選用軟件法,即利用單片機軟件編程產生標準40 k Hz、占空比為50%的PWM信號作為發射信號,降低了系統電路的復雜程度,然而單片機輸出功率不足,因此,本系統采用6個反相器構成推挽式電路[5],對單片機PWM信號進行功率放大,使其發射距離足夠遠,滿足系統測量需求。超聲波發射電路如圖4所示。

圖4 超聲波發射電路

3.2 超聲波接收電路

超聲波接收探頭接收到回波信號后,將信號轉換為脈沖信號。但由于超聲波經過反射后有較大損耗,且回波信號中帶有干擾噪聲,因此需要對信號進行放大、整形、濾波。本系統選用CX20106A集成電路芯片對信號進行處理,其是一款紅外線檢波接收專用芯片,常用于電視機紅外遙控接收器[5],內部集成了放大、濾波、整形電路,且紅外遙控器載波頻率為38 k Hz,與本系統所使用的超聲波頻率相近,因此可用于處理超聲波回波信號。超聲波接收電路如圖5所示。

圖5 超聲波接收電路

3.3 信號開關電路

本系統采用CD4066多路模擬開關芯片作為信號開關,控制單片機產生的懸停信號以及遙控接收機信號的導入與切斷,使各信號按照單片機指令傳入飛控。CD4066可傳輸模擬信號的頻率上限為40 MHz,各開關間的串擾小,每個模擬開關有輸入、輸出、控制三個端口。當控制端加高電平時,開關導通;當控制端加低電平時,開關截止。

3.4 溫度補償檢測電路

由于溫度對聲速影響較大,因此增加了溫度補償電路,以使三維距離信息更加精確。本系統采用DS18B20溫度傳感器[6]實時檢測當前溫度,該傳感器測量范圍為-55～+125℃,測量結果以數字信號串行方式傳送,具有精度高、體積小、電路簡單的特點。

3.5 人機交互電路與聲光報警電路

人機交互電路由OLED12864液晶和按鍵組成,方便用戶切換工作模式以及設置安全防撞距離。聲光報警電路由強光LED和蜂鳴器組成,方便用戶及時發現無人機的危險狀況。

4 系統軟件設計

本系統軟件設計以IAR Embedded Workbench for ARM為集成開發環境,采用C語言編程,系統軟件流程如圖6所示。

圖6 系統軟件設計流程圖

系統上電后,首先對單片機、超聲波測距電路、溫度傳感器、OLED12864液晶進行初始化設置,然后進入系統預設界面,單片機讀取當前溫度信息、三維空間方向距離信息、各通道PWM信號參數,液晶顯示三維方向距離信息、用戶模式以及安全距離,其中用戶模式分為報警模式和自動防撞模式。當無人機處于待飛狀態時,用戶可以通過按鍵設置安全距離和用戶模式。

無人機處于飛行狀態時,可以實時監測周圍三維空間距離信息,計算懸停觸發變量FFc。當FFc=1時,單片機產生懸停信號,并通過CD4066導入飛控,使無人機處于懸停狀態,同時,單片機讀取該方向遙控信號,若檢測到該方向遙控信號為反向運動,則恢復導入遙控信號,切斷懸停信號,使無人機只能朝相反方向運動,達到自主防撞目的。

5 試驗測試與結果

為了驗證該系統的防撞性能,在裝配有大疆NAZA V2飛控,以及分別裝配有華科爾DEVO 10接收機、天地飛7接收機、樂迪AT9接收機的三款四旋翼無人機上進行多次測試。試驗結果表明,該系統較好地實現了自主防撞功能,滿足了防撞設計需求。系統自動防撞測試結果如表1所列。

表1 系統自動防撞測試

結 語

本文設計的四旋翼無人機三維防撞系統,適用于以PWM信號標準的主流飛控,解決了傳統無人機采用硬件保護實現防撞存在的問題。該系統創新地利用無人機與超聲波技術實現了自主防撞,并提出了相應的防撞算法,大大提高了無人機的安全性,同時,該系統設計具有成本低、重量輕、體積小、精度高等特點,為無人機在復雜環境中的應用提供了安全保障,具有重要的工程意義。

[1]陳謠.四旋翼飛行器三維防撞系統[J].科技資訊,2015(26): 255-256.

[2]楊尚云,曾體賢,黃超.基于超聲波測距的無人機自動保護氣囊系統[J].西華師范大學學報,2013,34(4):409-413.

[3]閆姝.基于單片機的超聲波測距儀的設計[J].電子技術與軟件工程,2014(15):129.

[4]何琳.聲學理論與工程應用[M].北京:科學出版社,2007.

[5]秦偉.基于CX20106A的超聲波倒車雷達設計[J].壓電與聲光,2011,33(1):161-164.

[6]劉承橋.MSP430F149的無線溫濕度環境實時監測系統[J].單片機與嵌入式系統應用,2015(5):61-64.

陳根華(副教授),研究方向為電子系統設計。

10 ④當時間足夠長后,各個節點工作時鐘的差距會越來越大,以致出現時間槽混疊的現象,從而導致集群傳輸通道癱瘓。在TDMA周期為20 ms,包含4個平分TDMA周期節點的集群中,發生一次時間槽混疊而導致集群傳輸通道發送癱瘓的時間間隔約為:

圖5為在加入同步算法后,各個節點的運行狀態,可以得到以下結論:

①集群運行約8.5 min后,各個節點的本地時鐘相對于全局時鐘的誤差維持在±30μs范圍內;

②集群中各個節點運行正常,同步算法能夠抑制由于時鐘晶振穩定度不同而導致的各個節點工作時鐘的偏差,從而保證集群的正常運行。

結 語

本文設計了一種基于Welch-lynch中值增量修正法的同步算法來保持TTP/C集群的時鐘同步技術。在Zynq平臺上自主設計實現了一種基于時間觸發的TTP/ C總線控制器,并搭建了TTP/C總線通信測試平臺對時鐘同步算法進行驗證。驗證結果表明,提出的時鐘同步算法能夠保證TTP/C測試節點的同步誤差維持在±30μs,保證各個節點在各自時間槽內正常收發數據。

[1]Time-Triggered Protocol TTP/C High-Level Specification Document Protocol Version 1.1,2003.

[2]劉冬冬.開放式FADEC系統架構及可靠性建模技術研究[D].南京:南京航空航天大學,2013.

[3]劉冬冬,張天宏,陳建,等.TTP/C協議的關鍵特性研究[J].計算機測量與控制,2012,20(20):2769-1772.

[4]陳建.基于FPGA的TTP/C總線控制器設計及驗證[D].南京:南京航空航天大學,2012.

[5]Xilinx公司.Zynq7000可擴展處理平臺[J].世界電子元器件,2011(6):43-46.

陳飛(碩士研究生)、張文豪(碩士),主要從事航空發動機控制系統設計與仿真;張天宏(教授),研究方向為嵌入式控制系統、系統控制與仿真。

Three-dimensional Anti-collision System of Quadrotor Based on Ultrasonic Ranging

Chen Genhua,Li Jiaming,Ge Xuwen

(School of Information Engineering,Nanchang Institute of Technology,Nanchang 330099,China)

Aiming at the frequent collisions of the quadrotors,a three-dimensional anti-collision system is proposed,which is based on the ultrasonic ranging.As an indirect range measurement,the ultrasonic ranging system collects three-dimensional ranges between the quadrotor and its surrounding obstacles.Through processing the three-dimensional ranges,the microcontroller controls the hovering signal and the cut-offs of remote signal for autonomous anti-collision of the quadrotor.This system design is validated by the field experiment,which meets the anti-collision requirements.It is light in weight,small in size,high in ranging accuracy,reliable in safety.

quadrotor;ultrasonic ranging;three-dimensional anti-collision system

TP323.3

A

國家自然科學青年基金項目(NO.61401187);江西省大學生創新創業專項基金項目(NO.201411319026)。

(責任編輯:薛士然2016-03-22)

(責任編輯:薛士然2016-04-11)