四旋翼自主追蹤智能車的系統(tǒng)設計

李金鵬 張國恒

摘要??? 本文通過無線串口獲取到地面智能車傳來的實時位置，利用濾波算法提高坐標精度，設計導航算法，從而實現(xiàn)四旋翼快速精準跟蹤到地面智能車。

【關鍵詞】四旋翼無人機 控制 自主導航

四旋翼無人機具有結(jié)構(gòu)簡單，控制方便等優(yōu)點，在狹小空間內(nèi)實現(xiàn)起飛，盤旋，著陸等動作，在通過無線串口獲取到地面智能車傳來的實時位置，利用濾波算法提高坐標精度，設計導航算法，實現(xiàn)四旋翼快速精準跟蹤到地面智能車。

1 總體方案設計

1.1 系統(tǒng)硬件組成

四旋翼無人機呈“X”型結(jié)構(gòu)，由機架、飛控、姿態(tài)模塊、無刷電機及驅(qū)動和無線通信模塊、電源等組成，四個螺旋槳分別固定“X”字支架末端，相鄰之間的螺旋槳轉(zhuǎn)速相反，抵消所產(chǎn)生的扭矩，智能車以STM32為處理器，搭載GPS模塊，將智能車位置坐標發(fā)送給四旋翼，實現(xiàn)自主導航。

1.2 系統(tǒng)工作原理

四旋翼飛行器以STM32單片機為控制器，使用MPU-9250對四旋翼飛行姿態(tài)的數(shù)據(jù)進行采集和分析處理，飛控以得到的數(shù)據(jù)作為輸入，使用控制算法調(diào)整輸出量，通串行總線控制各個電機，使四旋翼向預定姿態(tài)無限逼近，完成姿態(tài)調(diào)整。飛控通過串行總線獲得的四旋翼和智能車經(jīng)緯度坐標，通過算法設計出四旋翼飛行追蹤地面智能車的最佳飛行路線，讓無人機可以快速追蹤目標。如圖1為四旋翼自主追蹤智能車的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。

2 硬件的設計與實現(xiàn)

2.1 硬件設計

四旋翼飛行器有四個輸入力，有六個狀態(tài)輸出，依靠四個旋翼之間的的速度差實現(xiàn)無人機的懸停、上升、下降、前后飛行、左右飛行、偏航飛行。將獲得的導航模塊數(shù)據(jù)進行濾波處理，使四旋翼和智能車的位置坐標進行不同參考系下的轉(zhuǎn)換處理，設計出最優(yōu)導航路線并實現(xiàn)自主導航。

2.2 姿態(tài)測量和導航模塊

姿態(tài)測量模塊集成了陀螺儀、加速度計、磁力計等單元，完成對無人機姿態(tài)數(shù)據(jù)的采集、運算處理。模塊根據(jù)系統(tǒng)檢測到的角速度傳感值和加速度的傳感值，利用濾波算法進行積分及補償運算得到的姿態(tài)角，減少累計誤差，從而使控制系統(tǒng)實現(xiàn)四旋翼飛行器可靠的姿態(tài)控制;導航模塊主要有慣性測量單元和GPS組成，慣性測量單元不依賴外部信息，不受外部干擾，可以計算車四旋翼的姿態(tài)角，但其由于時間的累加，造成的積分誤差逐漸增大，精度減小，結(jié)合GPS的定位信息進行數(shù)據(jù)融合，可以互補缺陷，對導航精度及靈敏度起著重要作用。

3 軟件設計與實現(xiàn)

四旋翼飛行器控制系統(tǒng)運用先進的飛行控制算法結(jié)合高精度的傳感器，使四旋翼的飛行姿態(tài)控制穩(wěn)定。系統(tǒng)上電后，先進行初始化，對端口、時鐘進行初始化，對GPS模塊、慣性測量單元等進行校準，通過I2C接口獲得無人機姿態(tài)測量數(shù)據(jù)和智能車GPS坐標信息，使用卡爾曼濾波算法對數(shù)據(jù)進行分析處理，對飛行和智能車的位置進行預估。使用經(jīng)典的PID算法，將慣性單元測量到的的角速度轉(zhuǎn)化為控制信號，計算出四旋翼電機的轉(zhuǎn)速，通過IO口發(fā)送給相應電機，使飛行器不斷逼近預定的飛行狀態(tài)。程序流程圖如圖2所示。

4 結(jié)論與展望

（1）本文對四旋翼和智能車的模型的組成和工作原理進行了簡單的一個介紹，并對該模型提出了總體設計方案。

（2）對四旋翼導航進行了軟硬件的設計，對各傳感器的數(shù)據(jù)采集和分析，采用控制算法實現(xiàn)四旋翼導航。

（3）系統(tǒng)設計完成后，進行了試驗，試驗還存在許多不足之處，判斷方向比較麻煩，無法進行精準導航。

參考文獻

[1]丁勇飛.無人機用DGPS/自動駕駛儀/高度表組合導航著陸系統(tǒng)應用研究，1996.

[2]宋英麟，鮮斌，茹濱超，曹美會.無人機微型姿態(tài)航向系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理[J].中南大學學報，2013.

[3]向少林.基于互補濾波算法的四軸飛行控制系統(tǒng)設計[J].機電工程，2016.

[4]吳濤，戈惠梅，顧志華.四軸無人飛行器控制系統(tǒng)設計[J].河南科技，2014.

[5]陳自力.無人機-嵌入式控制[M].北京：國防工業(yè)出版社，2015.