雙無人機跟蹤飛行分析

潘磊 李勇慶 王琛 戴錚 李燦 中國民航大學電子信息與自動化學院

雙無人機跟蹤飛行分析

潘磊 李勇慶 王琛 戴錚 李燦 中國民航大學電子信息與自動化學院

本文基于對單架無人機系統的定位、通信及控制，引入雙無人機的跟蹤飛行，進而引伸為無人機集群控制。通過分析雙無人機通信方法以及無人機定位的手段，搭建雙無人機硬件平臺，軟件構建協同算法，以無線通信的方式，將主機信息共享給從機，實現從機的跟蹤飛行。本文設計的雙無人機跟蹤飛行系統，具有較強可行性、可靠性，能夠實現雙無人機快速響應、協同飛行，為日后研究發展多無人機集群控制打下基礎。

無人機 跟蹤飛行 協同控制 實驗分析

1 引言

近年來，四旋翼無人機的運用越來越廣泛，功能也愈加完善，在軍事、農業、救援等領域的作用突出。但單機工作的效率以及問題也日益突出，而多機工作比單機工作的效率以及質量會高出不少。本設計為多無人機跟蹤飛行控制提供了一條思路。

國內外，針對無人機集群研究都有相應的進展，在國外，美國海軍研究辦公室(ONR)開展了名為低成本無人機集群技術(Low-Cost UAV Swarming Technology，LOCUST)的項目研究，歐洲信息社會技術計劃（Information Society Technologies，IST）資助了異構無人機群實時協同與控制項目（Real-time Coordination and Control of Multiple Heterogeneous UAVs，COMENTS）；在國內，雖然我們起步較晚，但是也取得了相應的成果，電科電子科學研究院趙彥杰針對無人機蜂群系統給出了相應的研究意見和思考，西北工業大學的朱旭等人提出了基于信息一致性的多無人機編隊控制方法，提出了多無人機集結、解散以及隊形變換的策略。

本文所設計的系統功能為兩架四旋翼無人機的跟蹤飛行，其中一架無人機作為領航，通過GPS等方式獲取當前位置信息，再通過兩者之間的相互通信，利用協同控制達到另一架無人機跟蹤飛行的目的。本文著重介紹了該系統的搭建以及實驗中遇到的問題及解決方法。

2 無人機總體設計及硬件設計

2.1 無人機總體設計

雙無人機跟蹤飛行系統由兩架四旋翼無人機組成，一架為主機，另一架為從機，用來模擬主機飛行、從機跟蹤的效果。其中，每臺四旋翼無人機的機載控制端由上下兩層硬件設備構成。其中上層硬件設備有：飛控板、GPS定位裝置、STM32F103單片機、OLED顯示模塊、超聲波測距模塊、無線遙控器信號接收模塊以及無線通信模塊。下層硬件設備有飛控板、GPS定位裝置。

上層硬件設備功能。飛控板：產生四路PWM波，將PWM波傳送至下層飛控板。GPS定位裝置：采集無人機的經緯度信息。STM32F103單片機：作為機載硬件設備的核心處理器，控制、監視本機的飛行狀態。OLED顯示模塊：顯示飛行參數如無人機高度、經緯度信息等。超聲波測距模塊：用于無人機在近地空域飛行時的測定高度。無線遙控器信號接收模塊：用于接收無線遙控器的控制信號。無線通信模塊：用于四旋翼無人機之間的通信。

下層硬件設備功能。飛控板：接受來自上層飛控板的四路PWM波信息，并將該控制信號傳輸給電調。GPS定位裝置：定位無人機的經緯度信息，協助下層飛控板進行飛行。

2.2 無人機硬件設計

2．2．1 機體基礎硬件

四旋翼采用F450常規型號機架，力臂為尼龍加纖材質，超強硬度，層板為沉金PCB。無刷電機采用大疆E310，960rpm/V，具有高轉速，高穩定性，再配以相符的電子調速器，碳纖螺旋槳（兩個正槳，兩個反槳），達到能夠完美完成飛行任務的機體要求。

2．2．2 定位系統

GPS是全方位、全天候、全時段、高精度的衛星導航系統，能為四旋翼無人機提供高精度的經緯度位置信息，而且使用和調試方便，抗干擾能力強，適合室外四旋翼無人機的定位導航。

同時加入光流傳感器加以輔助定位，利用光流傳感器，從光流場中近似得到不能直接得到的運動場，采集四旋翼精確位置信息。由GPS與光流傳感器組合而成的定位系統，能夠更加精準地獲得四旋翼無人機的位置以及高度信息。

在低空飛行時，引入超聲波定位，超聲波具有頻率高、波長短、繞射現象小，特別是方向性好，能夠成為射線而定向傳播等特點。缺點是測量距離短，短距離測量精度高，長距離測量精度低，結合這些特點，我們將超聲波傳感器應用于低空飛行時的高度測量，同時可以作為低空警戒，保證四旋翼飛行穩定。

2．2．3 控制芯片

本設計采用STM32F103VCT6作為主控芯片，搭配APM飛控與DJI NAZA-M LITE飛控實現無人機的飛行。STM32F103VCT6單片機所在的飛控板通過控制APM飛控與DJI NAZA-M LITE飛控進行四旋翼飛行姿態及高度位置的調整，正常飛行時，利用GPS與光流傳感器對主機的經緯度信息、位置信息及高度信息進行采集，采集的信息通過串口傳輸送回STM32F103VCT6單片機。單片機再通過SX1278無線通信模塊將主機的經緯度、高度等信息發送給從機，進而控制從機的飛行狀態，進而達到從機跟隨主機飛行的目的。主控芯片的工作圖如圖1所示。

圖1 控制芯片工作原理圖

2．2．4 底層飛控芯片

在這里采用了兩種飛控板作為底層飛控，一種是常用的APM飛控，另一種是DJI NAZA-M LITE飛控板。

APM飛控是較為常見的飛控板，是開源飛控系統，能夠支持固定翼，直升機，3軸，4軸，6軸飛行器，技術成熟，可靠性高，它采用Atmega1280作為主控芯片，飛控上集成了PPM解碼芯片，慣性測量單元，三軸磁力計，空速計，空壓計等一系列常用功能。APM飛控采用兩級PID控制，第一級是導航級，第二級是控制級，導航級PID控制目的是解決飛機如何以預定空速飛行在預定高度，以及如何轉彎飛往目標等問題。通過設計算法給出飛機需要的俯仰角、油門和橫滾角，再由控制級進行控制解算。控制級的任務就是依據需要的俯仰角、油門、橫滾角，結合飛機當前的姿態解算出合適的舵機控制量，使飛機保持預定的俯仰角，橫滾角和方向角。APM具有飛控體積小，功能強大，飛行穩定的特點，而且APM飛控技術較為成熟，資料詳細，便于對各種參數進行修改，與其他系統進行結合，因此選取其作為從機飛控。

DJI NAZA-M LITE飛控使用創新的All-in-One設計理念，將控制器、3軸陀螺儀、3軸加速度計和氣壓計等傳感器集成在一個更輕更小巧的控制模塊中，用于識別高度和姿態，從而實現鎖定高度和平穩姿態等飛行控制功能。具有安裝簡便，占用空間少，重量輕的顯著特點，而且它繼承了大疆飛控一貫的穩定性，用來作為領航的主機飛控，體積小，重量輕，穩定性高，可靠性強。

3 無人機軟件設計

3．1 串口通信部分

串口通信是指單片機和外設之間，通過信號線、地線、控制線等，按位進行傳輸數據的一種通訊方式。這種通信方式使用的數據線少，并且簡便快捷，適合在無人機上實現。

本設計將UART通信模塊（波特率為115200字符/秒）通過C語言軟件進行編程設計，在單片機中通過C程序實現。在本系統中UART通信模塊用于GPS、光流傳感器和超聲波模塊與STM32F103VCT6單片機之間的通信，將GPS、光流傳感器、超聲波模塊采集到的位置信息傳送給單片機。

3.2 SX1278無線模塊

SX1278無線模塊基于SEMTECH公司的進口芯片SX1278的無限透明傳輸模塊，采用先進的LoRa擴頻技術，傳輸距離與穿透能力比傳統FSK提升1倍以上，同時使用FEC前向糾錯算法，能主動糾正被干擾的數據包，使通信距離更遠，抗干擾能力更強，而且具有空中喚醒功能（超低功耗），而且模塊提供了多個頻道的選擇，可以修改串口波特率、收發頻率、發射功率、射頻空中速率等各種參數，方便進行調試。

SX1278無線模塊是一種中長距離通信系統，主要特點是功能強大、耗電量低、成本低廉，利用LORA擴頻技術通信距離有保證，抗干擾能力強，且具有喚醒功能，功耗低，支持無線連接和通信，雙無人機能夠進行良好的通信，便于主機將位置信息以及四個舵機的速度信息發送給從機，進而實現從機跟蹤飛行的目的。

4 跟蹤飛行實驗分析

4.1 無人機無法實現定高、定點功能

在進行實際飛行時，發現單架無人機無法實現穩定的定高、定點功能，一旦切換到定點功能便會發現無人機一直在該點附近徘徊，但無法停在設定點上，一旦切換到定高功能，便會發現無人機一直向上飛行。

經過對于程序的細致研究后，發現飛控程序功能不夠完善，PID控制達不到預定要求，PID控制總是存在一定的偏差，因此綜合考慮后，我們在系統中采用了雙層飛控結構，由下層飛控板控制無人機飛行，這樣做后，效果明顯得到了改善。

4.2 GPS信號浮動無所獲得精確地址

在實驗過程中，無人機出現了按“8”字來回飛行的狀況，經過對無人機返回的數據進行分析，我們發現GPS的數據存在很大的波動，其范圍最大為周圍8米，所以無人機在飛行時無法獲得正確的GPS信號，兩架無人機在進行數據交互時，主機一方無法給出確定的當前GPS信號，而從機一方不僅收到的信號不穩定，而且在進行跟蹤飛行時自己的GPS信號也不穩定，因此在飛行時會出現首架飛機按“8”字飛行，而從機無章法亂飛。

為了穩定GPS信號，我們引入了卡爾曼濾波，卡爾曼濾波是一種高效率的遞歸濾波器，它能夠從一系列的不完全及包含噪聲的測量中，估計動態系統的狀態。我們此處引入二階卡爾曼濾波，濾出GPS信號中包括經緯度，高度等六個參量，實地測試后發現效果達到了預定要求，GPS數據波動幾乎沒有，兩架無人機能夠實現穩定的跟蹤飛行。

5 結論

本系統實現了雙無人機的跟蹤飛行，并融入了協同飛行算法。通過控制領航機的飛行姿態和軌跡，使得另一架無人機能夠自動跟蹤飛行。該系統可擴展至多無人機跟蹤飛行，多無人機跟蹤飛行比單一飛行器執行任務時會更加高效，尤其是在任務目標繁多且復雜時，多無人機跟蹤飛行更能夠體現出它的優勢，可以同時對多個目標采取行動，從而大大地提升了執行任務的效率。并且，在多無人機跟蹤飛行系統中，降低了對無人機的操控難度，只需要控制頭機的飛行狀態即可控制多架飛機。在實際生活中此系統能夠被廣泛應用于執行任務目標多，任務環境復雜的任務中，能夠大幅度提高工作效率，節約寶貴的時間。

6 致謝

感謝中國民航大學大學生創新創業訓練計劃項目給予的支持（大學生創新創業訓練計劃項目編號201610059090），感謝在整個項目過程中指導老師和隊友們的幫助。

[1] Ollero A.，Maza I. Multiple Heterogeneous Unmanned Aerial Vehicles[M]. Berlin Heidelberg: Springer, 2007

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[4] COMETS Project web site[EB/OL]. [2014-2-6]. http://www. comets-uavs.org/

[5] 朱旭.基于信息一致性的多無人機編隊控制方法研究[M].西安:西北工業大學,2014

潘磊（1996—），男，山東臨沂人，中國民航大學本科在讀，研究方向：控制理論與控制工程。