基于超聲波傳感器的無(wú)人機(jī)避障技術(shù)研究

程子龍 李鵬展 劉 佳 ，2

（1.天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)自動(dòng)化與電氣工程學(xué)院，中國(guó) 天津 300000；2.天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)天津市信息傳感與智能控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，中國(guó) 天津 300000）

0 引言

無(wú)人機(jī)近幾年來(lái)逐漸出現(xiàn)在大眾的視野中， 從剛開始的保持飛行穩(wěn)定， 再到GPS 以及視覺(jué)定位， 以及現(xiàn)在比較火熱的無(wú)人機(jī)壁障， 無(wú)人機(jī)技術(shù)在飛速的發(fā)展著，本文就以四軸F450 無(wú)人機(jī)為例，簡(jiǎn)述無(wú)人機(jī)壁障的原理以及實(shí)現(xiàn)方法。

1 無(wú)人機(jī)壁障系統(tǒng)的整體簡(jiǎn)述

1.1 無(wú)人機(jī)運(yùn)行過(guò)程及其信號(hào)傳遞

一架多軸無(wú)人機(jī)運(yùn)行時(shí)至少需要兩個(gè)部分， 一是安裝了自動(dòng)駕駛儀的多軸機(jī)體， 包含電機(jī)電調(diào)以及機(jī)架等部分，二是無(wú)線遙控裝置，通常來(lái)說(shuō)，無(wú)人機(jī)駕駛員在地面使用無(wú)線遙控裝置對(duì)無(wú)人機(jī)下達(dá)飛行命令，無(wú)人機(jī)接受命令后執(zhí)行具體任務(wù)， 實(shí)際情況中遙控裝置并非直接和自動(dòng)駕駛儀直接通訊， 而是需要通過(guò)接收機(jī)進(jìn)行命令的傳遞， 接收機(jī)需要和遙控器進(jìn)行對(duì)頻， 對(duì)頻成功后安裝在無(wú)人機(jī)上， 其輸出端通過(guò)信號(hào)線與自動(dòng)駕駛儀的輸入端連接，二者之間使用PWM 信號(hào)傳遞數(shù)據(jù)，如圖1 所示：

圖1 無(wú)人機(jī)信號(hào)傳遞過(guò)程

1.2 信號(hào)含義

由此我們可以了解到無(wú)人機(jī)正常工作時(shí)信號(hào)的傳遞過(guò)程， 其中接收機(jī)與自動(dòng)駕駛儀之間至少有5 個(gè)命令通道：

（1）thrust 拉力通道， 用來(lái)控制無(wú)人機(jī)整體拉力大小。

（2）yaw 偏航通道，用來(lái)控制無(wú)人機(jī)機(jī)頭的朝向。

（3）pitch 俯仰通道， 用來(lái)控制無(wú)人機(jī)俯仰角的大小。

（4）roll 橫滾通道， 用來(lái)控制無(wú)人機(jī)橫滾角大小的通道。

（5）mode 飛行模式通道，用來(lái)設(shè)置飛行模式，一般的自動(dòng)駕駛儀具有自穩(wěn)、定高、定點(diǎn)等功能。

了解了各通道的作用后我們知道了通過(guò)pitch 通道和roll 通道可以控制無(wú)人機(jī)的前進(jìn)、后退、左移、右移，那么就可以通過(guò)改變這兩個(gè)通道的輸入值來(lái)實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)的壁障動(dòng)作。

2 壁障模塊的設(shè)計(jì)

2.1 壁障系統(tǒng)工作原理

本文以超聲波測(cè)距模塊，ATMEGA2560 單片機(jī)為例， 壁障模塊需要安裝在接收機(jī)和自動(dòng)駕駛儀之間，如圖2 所示：

圖2 無(wú)人機(jī)避障模塊位置示意圖

即壁障模塊讀取接收機(jī)輸出的pitch 和roll 信號(hào)，同時(shí)根據(jù)四面超聲波傳感器所測(cè)得的距離， 將計(jì)算出的pitch 和roll 信號(hào)輸出給自動(dòng)駕駛儀， 實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)在無(wú)人工干預(yù)的情況下實(shí)現(xiàn)自動(dòng)壁障的效果。

2.2 模塊設(shè)計(jì)要求

（1）體積和質(zhì)量應(yīng)控制在無(wú)人機(jī)可載重范圍內(nèi)，否則可能會(huì)影響無(wú)人機(jī)的正常飛行以及續(xù)航時(shí)間。

（2） 信號(hào)的輸入與輸出應(yīng)按信號(hào)特點(diǎn)接入上拉或下拉電阻， 保證模塊運(yùn)行時(shí)的穩(wěn)定性以及防止傳感器未接入時(shí)數(shù)據(jù)出現(xiàn)巨大誤差。

2.3 模塊工作流程

由于篇幅所限，本文不在此給出詳細(xì)程序，僅給出模塊工作流程作為參考，具體流程如圖3 所示：

安全起見， 實(shí)際的設(shè)計(jì)過(guò)程中通常會(huì)使用一個(gè)單獨(dú)的通道控制壁障模塊的工作狀態(tài)， 當(dāng)工作在壁障模式的時(shí)候，輸出給自動(dòng)駕駛儀的信號(hào)是根據(jù)輸入信號(hào)和傳感器信號(hào)進(jìn)行計(jì)算所得到的，工作在非壁障模式的時(shí)候，輸出信號(hào)即為輸入信號(hào)，此時(shí)的無(wú)人機(jī)不具有壁障功能，無(wú)人機(jī)駕駛員可根據(jù)具體情況決定壁障模塊是否介入飛行系統(tǒng)。

圖3 模塊工作流程

3 注意事項(xiàng)

此系統(tǒng)在實(shí)際使用的時(shí)候需要注意以下幾點(diǎn)：

（1） 超聲波模塊對(duì)于較大體積的障礙物識(shí)別率較高，對(duì)細(xì)小的障礙物，如電線、細(xì)樹枝等識(shí)別率較低，實(shí)際飛行過(guò)程中同樣需要無(wú)人機(jī)駕駛員認(rèn)真觀察無(wú)人機(jī)周圍情況，以免發(fā)生意外。

（2） 考慮到超聲波傳感器可能在一些復(fù)雜的環(huán)境中出現(xiàn)干擾的情況， 所以每個(gè)傳感器應(yīng)該輪流單獨(dú)工作，不可同時(shí)工作。

（3）壁障模塊工作在壁障模式時(shí)，需要進(jìn)行數(shù)據(jù)的讀取以及計(jì)算等工作， 所以信號(hào)傳輸速度相較于不使用壁障模塊的情況下有幾十毫秒的延遲，對(duì)于F450 等機(jī)型的飛行效果幾乎沒(méi)有影響，實(shí)際使用過(guò)程中幾乎無(wú)法察覺(jué)。

4 總結(jié)

本文以四軸F450 無(wú)人機(jī)為例，研究了無(wú)人機(jī)壁障系統(tǒng)的設(shè)計(jì)問(wèn)題。 首先簡(jiǎn)述了無(wú)人機(jī)壁障系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)， 然后研究了壁障系統(tǒng)的工作原理， 壁障模塊的設(shè)計(jì)等問(wèn)題， 最后提出了實(shí)際中使用該壁障模塊時(shí)的注意事項(xiàng)。