四旋翼無人機自主避障系統的設計與實現

胡海兵 汪國慶 賴重遠 張結文

摘 要： 針對自主導航過程的預先避障和飛行控制中預判與控制，該文利用超聲波檢測距離原理對體小質輕、低空低速的小型無人機導航控制系統的自主避障功能進行了研究。小型無人機將AHRS信息采集與避障飛行控制分開設計為兩部分相對獨立的系統。兩片DSP 芯片分別實現姿態數據采集、處理和避障導航計算，有效降低了導航系統的計算復雜度，實時通信和數據處理更加流暢。飛行實驗表明，無人機可以預判，及時規避障礙物和自主巡航，設計方案可靠穩定，可為民用小型無人機的設計與應用提供參考。

關鍵詞： 無人機； 四旋翼； 自主導航； 避障； 定位； 超聲波測距

中圖分類號： TN752.6?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2018）22?0133?05

Abstract： In allusion to the obstacle pre?avoidance in the autonomous navigation process and the prejudgment and control in flight control， the autonomous obstacle avoidance function of the small?scale low?altitude and low?speed unmanned aerial vehicle （UAV） navigation control system with small volume and light weight is studied by using the distance detection principle of the ultrasonic wave. In the small?scale UAV， the AHRS information acquisition and obstacle avoidance flight control are separately designed into two parts of relatively?independent systems. The two DSP chips are adopted to respectively realize attitude data acquisition and processing and navigation calculation of obstacle avoidance， so as to effectively reduce the computational complexity of the navigation system， and make the real?time communication and data processing more smooth. The results of the flight experiment show that the UAV can prejudge and avoid obstacles timely， and perform autonomous cruise； the design scheme is reliable and stable， which can provide a reference for design and application of the small?scale civil UAV.

Keywords： UAV； quadrotor； autonomous navigation； obstacle avoidance； positioning； ultrasonic distance measurement

0 引 言

近年來，自主導航無人機以其低廉的成本、無人員傷亡風險、機動性能好、使用方便等優勢，在高危作業、災害航拍、搶險布控、環境監測等領域得到了廣泛的應用[1]。傳統上，外形尺寸10～30 cm的小型無人機大多采用獨立的單片機控制。這種方式數據處理能力不足，只能完成簡單的控制任務。近些年，國內新技術的應用提高了無人機的導航性能，例如小型農用無人機導航控制系統采用數字信號處理器（DSP）實現了無人機的自主飛行導航控制[2]。張垚等采用內外環結構的PD控制算法，構造了無人機的位置與姿態跟蹤控制器，實現了四旋翼無人機滾轉角、俯仰角和水平縱向、橫向位置共四個自由度的自動控制，飛行控制仿真實驗效果明顯[3]。吳濤等采用四元數的方法來描述載體運動的姿態，通過陀螺儀測姿態四元數，卡爾曼濾波算法融合加速度計數據，對姿態四元數進行修正，實現了姿態解算精度的提高[4]。這些飛行器控制器模型提高了無人機的導航及控制性能，但上述小型無人機導航與控制較少提及導航行程中的避障功能。

小型自主導航無人機避障系統依然是小型無人機發展和突破的關鍵技術。設計簡單而又有效地自動避障系統，保障無人機空中作業的安全是亟待解決的問題。國內外針對小型多旋翼無人機的避障系統還很少，所提出的各種避障方法和思想，大多處于仿真階段，其有效性也有待驗證，少有真正使用的避障系統[5]。該文針對用于航拍和監測任務的小型無人機的特點，要求無人機低成本、體小質輕，同時實現按照設定航線自主導航，實時回傳采集數據，并預知障礙物并自動繞開。為實現上述要求，本文構造了一種基于超聲波測距的無人機自主導航與科學避障系統。飛行實驗表明，基于該避障系統的無人機可以實現預判，及時規避障礙物和自主巡航功能，設計方案可靠穩定，可為民用小型無人機的設計與應用提供參考。

1 系統總體結構

基于超聲波距離檢測的無人機避障系統，包括無人機端和地面監控端。無人機導航控制系統結構圖如圖1所示。

無人機包含飛行控制模塊、機載射頻通信模塊、超聲波測距模塊。飛行控制模塊以TMS320C28335 DSP處理器為控制核心，同時及時通過機載射頻接收模塊實時反饋飛行狀況給地面站。超聲波測距模塊依據聲波速度和超聲波發射、接收的時間間隔判斷和預算出無人機飛行過程中前方、左方、上方、右方、后方障礙物以及與障礙物之間的距離。無人機由超聲波測距模塊和飛行控制模塊科學預判無人機的飛行路線，自主航行，規避障礙物。

地面端集成射頻通信模塊、航跡規劃模塊和監控反饋模塊，目的主要是人為干預和控制無人機的飛行狀態。航跡規劃模塊包含最新地圖，用于設置無人機在自主飛行模式下的起止點、飛行高度和飛行速度。實時監控模塊用于實時檢測與監控無人機狀態，并進行數據存儲、故障檢測與報警操作。機載射頻通信模塊實時與地面射頻通信模塊保持無線通信。

1.1 無人機總體結構

無人機整體結構包括外形支架結構、控制主板以及起降輔助系統等。無人機外形支架結構的墜落預防機制和處理機制需要從材料上選擇時考慮結構耐摔壓、耐磨損等因素。除了自身的導航與控制和信息采集硬件設備，還需要攜帶足量供給能源。同時，無人機的外形設計需要符合流體力學和空氣動力學，具有應對突發的惡劣環境因素的能力，不同條件下飛行校正具有較好的魯棒性和適應性。無人機起降系統應具有良好的場地適應性，可參考正常布局采用小型復合材料無人機進行設計。考慮用于航拍和監測任務的無人機的功能特點，無人機控制主板硬件結構圖如圖2所示。

無人機主控芯片采用兩片TI的高性能、低功耗的TMS320C28335 DSP處理器，主要負責采集姿態航向參考系統（Attitude and Heading Reference System，AHRS）信息，電子羅盤航向角、5個方向的聲波檢測數據及GPS位置數據，并分別分析、計算采集的實時數據。F28335芯片1完成的主要功能包括與AHRS、GPS、電子羅盤、氣壓高度計、無線模塊等進行通信，獲取飛機的各種姿態和位置信息。F28335 芯片2主要承擔導航飛行和測距避障計算，它與F28335芯片1之間需進行高速數據交換。芯片1和芯片2的數據緩沖存儲器選擇至關重要，選用雙口RAM的IDT70V27芯片可實現存儲數據共享，一個存儲器配備 2套獨立的地址、 數據和控制線，允許2個獨立的CPU或控制器同時異步訪問存儲單元，符合2片F28335芯片通信需求。

1.2 無人機地面監測控制端

在無人機的自主導航和避障功能的實現中，無人機的地面遙控設計不是本文討論的重點，它的實時監控和操縱只不過通過無線通信對無人機的實時飛行數據進行校正和更新。地面監控運用正確的硬件設計和軟件程序是實現無人機安全飛行的前提，但對于航拍和監測任務的小型無人機，地面監控更重要的作用是飛行任務的匯報和反饋，表現為采集數據、影像的接收以及飛行狀態同步回傳。

2 無人機自主導航系統的實現

無人機的導航系統與地面監測站之間需進行大量通信，數據量大，對實時性要求高。無人機導航控制系統以TMS320F28335芯片為核心，并擴展了DSP芯片異步串行通信接口，保證了數據通信的穩定可靠，實現了無人機的自主導航控制。無人機數據采集和避障計算分開設計，導航控制系統主要由F28335芯片1和 F28335芯片2及其相關外設組成。為了保證無線通信的實效性和穩定性，降低導航系統及蔽障控制系統的復雜度，系統將姿態數據采集與導航蔽障控制分開，采用雙DSP芯片完成，從而提高計算速度和飛行安全性。

系統硬件設計的關鍵是F28335芯片1和 GPS、F28335芯片1和 F28335芯片2之間的接口設計。F28335包括2個UART異步串口和一個SPI同步串口。一個SCI串口（UART）用于接收地面遙測數據，另一個用于與飛行控制系統通信。提高UART異步串口的中斷級別并簡化系統設計，數據緩存存儲器采用容量為 64 B的TL16C752外擴串口收發芯片接收GPS 信息。F28335之間采用IDT70V27進行接口，完成數據通信。自主導航系統的信號處理主要包括 GPS、電子羅盤、高度氣壓計、空間坐標轉換等。無人機執行飛行任務默認設置飛行高度、四旋翼轉速范圍等飛行數據存入F28335的FLASH存儲器，防止無人機不利條件下的失控。

2.1 飛行控制模塊

導航系統結構主要由F28335芯片1、F28335芯片2及外設擴展組成。硬件電路設計和傳感器選擇考慮因素較多，例如高度氣壓計考慮無人機載重及低空定高的需求，采用僅僅1.5g的飛思卡爾半導體（Freescale Semiconductor）的MPX4115傳感器，其氣壓量程、高度量程[6]分別為15～115 kPa和1 100～13 000 m。機載（主要由三軸陀螺儀、加速度計和磁阻傳感器組成）的AHRS模塊，多種傳感器的配合目的是消除速度、加速度漂移來實現穩定飛行。電子羅盤使用數字式羅盤HMR3300，有補償硬磁、鐵磁干擾和離散磁場功能。

2.2 機載射頻通信模塊

無人機F28335芯片1接收高度氣壓計、GPS、數字式羅盤HMR3300等數據，進行數據計算和分析，將任務指令傳遞給任務系統，將數據處理結果、定位信息和姿態航向參考系統（AHRS）信息傳送給數據緩存存儲器。F28335芯片2根據導航需要隨時讀取其中的數據，F28335芯片2根據GPS數據導航信息及超聲波測距信息計算分析，發出導航控制指令，并將姿態信息傳送給地面站。無線通信模塊是以ZigBee技術的低功耗XbeePro Series 2通信模塊，250 kbit/s數據傳輸速度、1.5 km的通信距離和50 mW輸出功率滿足無人機的續航和監控，地面可以及時獲取無人機的飛行狀況及實時位置的反饋[7]。

3 無人機自主避障的實現

3.1 超聲波測距模塊

基于超聲波距離檢測的無人機避障系統主要有超聲波發射、接收模塊兩部分。無人機避障系統的控制方法使得無人機能夠對障礙物進行自動規避，規避的方式更為多樣化，并且能夠自動調整航線，完成規定的飛行任務。無人機避障系統簡單，使用方便，具有較大的實用價值。

超聲波測距系統工作原理[8]：測距時系統F28335芯片2設置引腳輸出脈沖信號40 kHz方波，由74HC04功率放大電路連接到超聲波發射頭。溫度T由DS18B20采集，反饋聲波由CX20106A組成的放大電路進入F28335芯片2輸入引腳。發射后F28335芯片2關閉發射信號，調用內部計數器開始計時；當接收信號的最后一個脈沖到來后，計數器停止計時，得到時間t，則無人機發射點與障礙物間的距離[S=vt2]。溫度T與超聲波速度對應的關系v=331.5+0.607T，則[S=331.5+0.607Tt2]。

3.2 自主避障調整模塊

基于常見機器人行走避障系統的超聲波距離檢測的原理進一步優化，所述超聲波測距模塊包含5個超聲波距離傳感器，分別設置在無人機前、左、右、后、上五個方向，用于檢測無人機5個方向是否存在障礙物以及與障礙物之間的距離。5個超聲波距離傳感器的測距范圍[9]為20～600 cm。5個超聲波傳感器通過電路和軟件實現串口的半雙工串口通信，并且可設定地址，5個不同地址的傳感器掛載在同一個串口上，依次將距離數據發送至F28335芯片2預判。

自主避障模塊為嵌入式應用程序，該程序從不同地址以軟件串口形式依次讀取相應的超聲波測距傳感器所發送的距離數據，當距離超過設定值時，F28335芯片及時校正AHRS信息來規避障礙物，繼續完成設定的任務[10]。基于多個超聲波距離檢測的無人機自主避障程序流程圖如圖3所示。基于5個方向超聲波距離檢測的無人機自主避障系統結構簡單，失控飛行的風險大大降低，同時依次測距的簡單算法設計減輕了嵌入式處理器F28335芯片的負荷，使得無人機的機動性和執行力增強。同時，無人機能夠較好地對障礙物進行預先規避，自主調整飛行方向。

4 飛行試驗

小型無人機導航系統和避障飛行試驗通常采用Matlab建模仿真或實際飛行[11]。采用改進的無人機燒錄程序以仿真和實際飛行驗證了導航和避障的可靠性。飛行測試地點在合肥工業大學綜合體育館操場，圖4為無人機導航系統仿真和避障飛行測試路線，A為無人機的飛行起點，飛行路線按照1?2?3?4?1順序循環飛行。虛線為預設的無人機矩形飛行航線，其中避障測試內容主要是飛行路線1?4區域建筑群障礙物，飛行路線預設四點（1，2，3，4），經緯度坐標為1（117°17′20.59″E，31° 50′52.10″N），2（117°17′23.89″E，31°50′52.54″N），3（117°17′24.15″E，31°50′48.90″N） ，4（117° 17′20.33″E，31°50′47.57″N）。

無人機的導航和避障程序針對不同風速天氣累計有38次飛行測試不斷優化算法，其中無風狀態下11次，風速小于 1.5 m/s 微風狀態飛行了6次，風速為1.5～4 m/s飛行了21次，無人機飛行高度30～80 m。飛行測試的內容包括起飛、降落、數據通信、規避障礙物及導航精度測試等。每次飛行前設定航點坐標，起降良好，能按預設飛行路線飛行，導航系統及避障飛行穩定，懸停精確度平均位置偏差為?4～6 m。飛行試驗中數據傳輸錯誤，航拍效果良好，沒有同周邊建筑群發生碰撞，較好地完成了飛行任務。

5 結 論

小型無人機將AHRS信息采集與避障飛行控制分開設計為兩部分相對獨立的系統。兩片DSP 芯片分別實現姿態數據采集、處理和避障導航計算，有效降低了導航系統的計算復雜度，實時通信和數據處理更加流暢，實現了小型無人機的自主導航及避障飛行的預期功能，可廣泛應用于航拍檢測領域。

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