一種可自動調節避障范圍的無人機及其工作方法設計

梁勇東 黃市生 曾志彬 吳國洪

（1.東莞理工學院機械工程學院，廣東東莞523000；2.東莞市橫瀝模具科技產業發展有限公司，廣東東莞523000）

0 引言

無人機作為一種新工具，能很好地代替人去執行任務，如送快遞、偵查監測等[1]，人們希望無人機在執行任務時能夠自我保護，因此自動避障技術成為了無人機領域發展的熱點[2]。然而，現有的很多無人機避障范圍是固定的，且該固定的避障距離一般在3 m以上，但避障距離被設定為固定值給飛行器的使用環境帶來了局限性，例如不能在小于避障范圍的環境中正常工作，否則在這些環境中飛行器的某兩個相對方向的避障效應會造成飛行不穩定。針對以上不足，本文提出了一種可自動調節避障范圍的無人機及其工作方法，將從機構設計方面與工作方法方面進行闡述。

1 硬件平臺設計

本文所設計的無人機是一種四旋翼飛行器[3]，采用三層平臺的設計方式，由下往上為第一層平臺、第二層平臺、第三層平臺。無人機的機架呈“十”字樣式，四個電機和螺旋槳分別設置在四個機臂軸的末端，構成四旋翼飛行器。PIX4飛控設置在第二層平臺的上表面中心。pwm轉ppm模塊、接收機、ARM單片機設置在第三層平臺的上表面，激光測距傳感器設置在第一層平臺的前后左右四個方向。

接收機的通道一（CH1）至通道八（CH8）的信號線分別與pwm轉ppm模塊的PA4、PA5、PB10～PB14、PA8電連接；ARM單片機特指具有五個串口的ARM單片機；4個激光測距傳感器的TX、RX接口分別與ARM單片機的USART_RX2～USART_RX5、USART_TX2～USART_TX5接口電連接，進行串口通信，ARM單片機采集四個方向的測距信息；pwm轉ppm模塊的USART_TX2、USART_RX2分別與ARM單片機的USART_RX1、USART_TX1接口電連接，進行串口通信，ARM單片機將四個方向的測距信息整理為數組comdata形式發送給pwm轉ppm模塊；pwm轉ppm模塊的ppm信號輸出引腳與PIX4飛控的ppm信號輸入引腳電連接，進行模擬信號的傳輸。

2 工作方法設計

基于pwm轉ppm模塊，讀取來自接收機的第一通道和第二通道的pwm值，第一通道記為pwm_analog0（其影響左右方向），第二通道記為pwm_analog1（其影響前后方向），并與相應的通道的基準值（1 400）比較。基準值是指飛行器在定點懸停時某一通道的穩定值，如果飛行器往某一方向飛行，飛行器在該方向上的脈沖值會相對基準值發生偏差變化，變大或變小發生于飛行方向的相對性之間。

工作方法主要為一種比例算法，原理式為：

其中，BZ代表避障距離；MC代表脈沖值，即MC=pwm_analog0或pwm_analog1，與飛行速度有關；|MC-1 400|max代表某一時刻脈沖量最大差值，用最大絕對值表示，該值越大，說明飛行器在某一方向的飛行速度越大；當飛行器往某個方向飛行時，脈沖量會相對基準值1 400變化，考慮其他方向存在脈沖量的波動情況，因此要選擇脈沖量最大差值。

工作方法的具體步驟為：

（1）先計算pwm_analog0-1 400和pwm_analog1-1 400的絕 對值，即|pwm_analog0-1 400|和|pwm_analog0-1 400|，然后對兩者進行比較，擇取其中較大值，并初步選定了方向，若|pwm_analog0-1 400|＞|pwm_analog1-1 400|，說明飛行方向為左右方向中的其一；若|pwm_analog0-1 400|＜|pwm_analog1-1 400|，說明飛行方向為前后方向中的其一。

（2）通過比例運算BZ=（|MC-1 400|max）/6，即可實現飛行器根據飛行速度自動調節避障距離；提高飛行速度，避障距離自動增大，以保證足夠的避障距離，避免高速飛行時發生避障距離不足的現象；降低飛行速度，避障距離自動減小，使得飛行器可以緩慢通過一些狹窄的環境。

（3）在（1）的基礎上，進一步地判斷MC與1 400之間的大小，即可確定需要調節避障范圍的具體方向。例如，某一時刻通過程序運算獲知|pwm_analog0-1 400|＞|pwm_analog1-1 400|，并且pwm_analog0＜1 400，說明飛行器正在以某一速度向左飛行，該飛行速度的大小由脈沖量與基準值之間的差值決定。

（4）加設BZ1（左方向的避障距離）、BZ2（右方向的避障距離）、BZ3（前方向的避障距離）和BZ4（后方向的避障距離）四個變量，當飛行器往某一方向飛行時，在該飛行方向上需要與之飛行速度匹配的避障距離，而其他三個方向上無需該匹配性，直接保持最小避障距離即可。因此，在程序中的運算方法為（假定飛行器正在向前飛）：BZ3=BZ（與飛行速度匹配的避障距離），BZ1=BZ2=BZ4=30（最小避障距離）。

（5）步驟（1）和（2）可以使得四個方向的避障范圍都能同比例地自動增大或減小，此為避障模式一；步驟（1）至（4）可以只改變飛行方向上的避障距離，卻讓其他三個方向保持最小避障距離，此為避障模式二。兩種模式之間的切換可通過地面站的二位開關進行，該二位開關通過無線連接接收機的第七通道，事先設定好外部中斷觸發對應的中斷處理程序，每隔一段時間讀取開關對應第七通道的狀態值，從而判斷開關的切換情況，進而通過中斷處理程序切換兩種避障模式。

3 結語

本文所做的工作總結如下：第一，根據目標功能設計了無人機機構；第二，根據功能要求設計了無人機的工作方法。所達到的效果是，提高無人機的飛行速度，其避障范圍也相應增大；降低無人機的飛行速度，其避障范圍也相應減小，使得無人機對飛行環境有了更高的適應性，解決了某些無人機因避障距離固定且較大而不能在狹窄環境中正常工作的問題。