基于Arduino的旋翼無人機室內定位系統設計

趙昌麗

摘要：無人機又稱為空中機器人， 誕生于20 世紀50 年代， 近年來，旋翼飛行器作為空中機器人的一種平臺發展迅速，成為研究熱點。針對旋翼飛行器室內定位問題，以Pixhawk開源飛控為下位機，實時解算四軸的電機輸入信號，利用Arduino單片機與光流計及超聲波傳感器構建上層導航控制器，實現系統定高、定點，進而為無人機面向任務的室內自主飛行提供控制基礎。

關鍵詞：無人機；自主飛行；Pixhawk；Arduino

中圖分類號：V279 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2017）02-0164-02

無人機又稱為空中機器人，誕生于20 世紀50 年代， 近年來，旋翼飛行器作為空中機器人的一種平臺發展迅速，成為研究熱點。國內外各類機器人競賽，都不同程度地增加了旋翼飛行器自主飛行的項目，隨著技術日趨成熟， 高集成度、低成本的開源飛行控制器也受到行業相關者的廣泛關注。目前市面上開源飛控針對多旋翼低空下的定高設計普遍采用氣壓計定高的方式，定點采用GPS。低成本氣壓計內部噪聲會有影響，氣壓計測量的是靜壓，外部氣流變化不會影響到靜壓，但實際上速度還是會干擾到靜壓，溫度濕度變化也會影響到氣壓度數，而定點只能在室外有GPS環境實現。閉源飛控的定高定點設計成本高。為此，設計一種基于Pixhawk開源飛控的室內定位導航控制系統，可根據任務需求快速實現飛行器的自主飛行。

1 系統總體設計

系統控制方案如圖1所示，使用Arduino控制板對光流計與超聲波模塊的數據信息獲取，并進行濾噪處理，實現對無人機的高度測量，通過對光流計采集圖像的灰度處理，得出位置信息，實現目標點位信息采集任務。根據任務需求規劃的目標位置，采用PID控制算法得出航向、俯仰、滾轉及油門值，經過比例換算后賦值給變量pwm，然a后把變量pwm值通過Arduino的pwm輸出引腳輸出到飛控的油門輸入接口，從而實現對無人機油門的控制，進而實現對旋翼飛行器的高度控制。

2 系統硬件組成

2.1 基于pixhawk的底層飛控設計

Pixhawk飛控在室內定位系統中作為底層控制器，主要有兩個控制回路，分別為姿態控制與增穩控制，姿態控制回路根據飛行器回傳的姿態角采用PID控制算法做角度控制，增穩控制回路根據回傳的角速度進行穩定控制。

Pixhawk飛控通過接收Arduino傳輸到油門、俯仰、滾轉、航向四個通道的PWM信號，根據控制算法輸出四路PWM信號傳輸至電調以實現對飛行器的內環控制。

姿態控制器包括PID控制器與輸出解算器兩部分，根據飛機回傳的姿態角采用PID控制算法做角度控制，表示繞機體坐標系軸的歐拉角，對應于慣性坐標系軸即俯仰角、滾轉角、航向角，Z為高度，分別為俯仰、滾轉、偏航及油門通道的輸入量。

2.2 定位導航系統設計

系統用于飛行控制數據處理的上位機為Arduino Mega 2560，定高測距采用HC-SR04超聲波模塊，光流計定位模塊采用機載攝像頭，通過對比回傳圖像能得到飛行器在某段時間內的運動軌跡，從而推算出飛行器的運動速度和方向， 系統選用了PX4FLOW光流傳感器。

高度模塊實現由超聲波測量值與期望定高高度偏差作為輸入量進行PID控制，并加入由姿態角度變化引起的高度偏差，進行高度補償。

光流定位模塊是實現通過位置偏差求解姿態控制量。通過簡化飛行器的運動學方程可以得出每個姿態角僅有單個輸入，因此可以采用單輸入PID控制器。光流傳感器測得飛行器水平位移速度分量，通過將規劃位置與光流積分得到的位置運算得出位置偏差，進行PID控制。

3 系統軟件設計

以沿標定點定路線自主飛行為例闡述系統控制流程。飛行器啟動后，手搖起飛；進入參數初始化及系統自檢階段，通過則問詢是否切換為自主導航，未通過則返回遙操作；確認執行自主導航任務，則系統依次讀取路線坐標、解算姿態期望值、計算高度補償及輸出PWM信號至電調，此過程中，需要實時問詢是否已到達目標位置點，如否，則繼續重復該步驟，如是則切換回遙操作，而確認不執行自主導航則系統切換回遙操作。

4 結語

針對在平整地面上的較精確高度保持和設定目標任務下的良好條件一致性，課題對目標飛行器進行了系統設計，給出了基于Arduino的旋翼無人機室內定位系統設計方案，為后續旋翼飛行器面向任務開展的室內定位工作打下了良好基礎。

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