昏暗環境的新型超聲波地形測繪新技術應用研究

何代宇，曾文沛，楊曉東，耿加良

(四川輕化工大學 土木工程學院，四川 自貢 643000)

0 前 言

超聲波因其最低頻率大于人的最大聽覺而得名。它的方向性好，穿透能力強，容易獲得比較集中的聲能，且波長小，發射定向性高，所以能通過數據而精準測算距離長度。與電磁波和激光相比，其在水中具有傳播距離遠等特性。相較于傳統山地投影測距法、水下聲吶測距新方法，超聲波測距具有抗干擾能力強、測量范圍廣、操作簡單等明顯優勢。超聲波測距新技術的工作原理：超聲波在聲波發射開始的同時開始計時，在介質中傳播，遇障礙物反射產生回波，接收裝置接收到回波后立刻停止計時。

本文的超聲波測繪飛行器新技術，利用了超聲波自身優勢，測距、繪圖基本原理，結合多波聲吶、GPS技術發展而成的CNSS水下地形測量技術、DSP技術來解決本文所介紹的測繪問題。

1 測繪新技術主要內容

測繪新技術飛行器設計采用意法半導體STM32F7作為飛行主控芯片，5個AVR單片機ATmega 328P用來作為協助信息處理芯片以保證信息的及時處理，安裝在四旋翼飛行器下方不同位置的超聲波信息接收傳感器用來接收地面障礙物反射回來的各種反射波信號，其中以ARMCortex-M4為基礎的STM32F4系列的MCU采用了以意法半導體為載體的NVM工藝和ART加速器。

這是至今為止所有以Cortex-M為基礎內核的微控制器產品所能達到的基準測試最高分數[1]，所以系統能自主分析超聲波信號，通過時間差運算距離并在三維坐標上構筑不同地形高度，飛行控制芯片通過對5組數據整合分析后得到自己在空間內的位置定位，以自己為中心建立三維坐標進行地形處理與標注，通過對多個地形數據整合進行構筑地面三維坐標。

現代超聲波測深新方法主要是利用發送超聲波并接收障礙物反射回來的超聲波，通過時間差運算出距離數據，從而達到測深目的。電路采用C8051F020微處理器，主要進行數據采集及水深運算，并完成超聲波發射脈沖控制、AD轉換、時間差計算、數據傳送的程序。

用于山地、水下或昏暗環境的新型超聲波地形測繪飛行器，包括機架、撐腳、旋翼系統、供電系統、飛行控制系統以及用于地面操作的遙控系統，其特征在于：所述機架底部還安裝超聲波水下地形測量儀，該超聲波水下地形測量儀包括一個帶有電源的控制電路，該控制電路不僅與超聲波接收發射電路、地面遙控系統的機載無線信號收發模塊連接，還和用于接收地面遙控系統信號的機載無線信號收發模塊相連接。

2 超聲波測繪新技術系統實現

2.1 遙控系統及主要構架

測繪新技術遙控系統包括遙控手柄、計算機、地面無線信號收發模塊，該地面無線信號收發模塊與飛行控制系統、機載無線信號收發模塊進行信號交換。在遙控的指導思路下，用于顯示和輸入各種指令的計算機系統獨立出來，不用搭載在飛行器上，既減輕了飛行器負重也能節省能耗。測繪新技術遙控系統控制電路采用C8051F020微處理器，其主要工作是進行數據采集和水深運算，并完成超聲波發射脈沖控制程序、AD轉換程序、時間差計算程序、數據傳送程序。飛行器機架在水平面上呈矩形形狀，支撐腳從機架四個角沿著對角線的延長線傾斜向下和向外延伸，有效提高了飛行器著陸穩定性，而支撐腳末端安裝的充氣氣囊由機架上的充氣裝置統一充氣和放氣，通過控制電路輸出的控制信號進行控制充氣裝置的放氣和充氣等操作。在進行水下地形測繪工作時，難免遇到意外導致飛行器耗電超出計劃或發生故障而不能正常返航，氣囊的作用在于實現飛行器盡量平穩地漂浮在水面上，方便尋找，同時對設備起到保護作用。

2.2 超聲波傳感器

測繪所用的傳感器測距模塊可實現2 cm到4.5 m，所以方案選用US-100超聲波傳感器，它可以實現2.4 V到5.5 V的寬電壓范圍內變化輸入，靜態可實現功耗低于2 mA，本身帶有的溫度傳感器可以對測距結果進行精準糾正，同時它還具備GPIO、串口觸發等通信方式，內部自帶看門狗，工作時性能穩定。

通過超聲波發射儀發出多波束聲納，利用回聲定位原理來確定地面、水下障礙物，之后再通過超聲波接收儀對被障礙物反彈回來的來自各個方向的回波進行收集處理。由于超聲波具有方向性好穿透力強，在水中傳播距離遠且容易集中收集的特點，故而用來進行水下地形測繪將會非常合適。

2.3 照明與攝像系統

測繪新技術所用機架一側安裝超聲波地形測量儀以及照明和攝像系統，該超聲波地形測量儀包括一個帶有電源的控制電路，該控制電路與超聲波收發電路連接，控制電路還與用于接收地面遙控系統信號的機載無線信號收發模塊連接，攝像和照明系統通過超聲波地形測量儀的控制電路連接。本優選方案主要是用于昏暗環境(比如山洞、隧道等環境)的地形測繪。

2.4 協助處理控制芯片與飛行控制芯片

以前的信息采集系統存在非常多的不足，如信息受機身姿態影響溫漂大，信息采集速率慢、精度低且存在對信息的整合不全的問題，故而我們采用C8051F020單片機用來把模擬量直接轉換為數字量傳給主AVR單片機[2]，電路簡單實用，操作方便，精度高且采集速率快，并且通過RS 422通信模塊與穩定平臺通信，故抗干擾性得到加強。

系統由晶體、RS 422通信模塊、飛行控制芯片、主AVR單片機、C8051F020單片機及電源模塊等部分組成。外部電源規定為+28 V，經過電源模塊變換后輸出+5 V，直接給MAX490芯片和操縱桿穩定供電。因為單片機需要3.3 V的電源才能工作，因此，需要將+5 V電源經三端穩壓器LT1117-3.3 V變壓之后供給單片機使用。然后把操縱桿模擬信號(經過電壓調制后的)連接到單片機的ADC輸入端口上，啟動單片機內部的A/D轉換電路，將其轉換成數字信號然后存儲到內存。最后，按照系統規定的通信格式，通過單片機的MAx490芯片和串口將信號發送給穩定平臺，來實現穩定平臺的操縱控制過程。新技術設計采用PIXHAWK飛行控制芯片，該控制芯片外設和總線都根據要求引出，不但以后可以根據其他要求兼容一些其他外設，還對于有開發能力的其他用戶也提供了方便。 PIXHAWK是一個具備雙處理器的飛行控制器，一個擅長于強大運算的 32 bit STM32F427 Cortex M4 核心 168 MHz/256 KB RAM/2 MB Flash 處理器，它的特點是安全穩定，就算主處理器死機了，協作處理器依然能夠繼續工作。

3 超聲波測繪新技術軟件系統實現

軟件系統主要的作用是維持飛行器飛行過程穩定與功率穩定，以防止在強風環境下無人機機身搖擺不定影響測量數值，飛行程序主要是對飛行器驚醒偏差調整[3]，以使飛行器穩定懸停及飛行或停在預定位置。

3.1 飛行器軟件程序工作實現

3.1.1 測繪飛行器方向AVR單片機初始化啟動

測繪飛行器方向AVR單片機初始化啟動后利用發射和接收超聲波時間差計算出水平距離再把數據信息發送給主AVR單片機并不斷進行此過程。主AVR單片機初始化完成后通過IIC方式接收水平方向距離信息之后向AVR發送數據，之后將水平距離數據進行整合，將水平距離數據通過串口通信方式發送到主飛行控制芯片中，并不斷進行此過程。高度AVR單片機初始化完成，通過發送超聲波并接受反射超聲波，利用時間差計算出距離數據，將高度距離數據通過IIC方式發送到飛行控制芯片中，并不停進行此過程。

3.1.2 飛行控制芯片進行姿態調整實現

飛行控制芯片進行姿態調整實現主要包括：飛行控制芯片傳感器、參數進行初始化電調節鎖以及陀螺儀、加速度計等傳感器數據收集并接收、處理控制芯片距離數據，采集數據與設定值進行偏差計算再輸出相應PWM波，電調電流放大之后無刷電機輸出相應功率轉速來達到姿態調整，通過不斷進行此過程，從而達到全過程姿態調整目的。

4 系統創新及難題解決

在航道測量、江河湖泊的水文調查以及港口、隧道、大橋等的建設中需要對昏暗地理環境及水下地形進行準確測量。而在水下地形是多變的無法通過人眼清晰判斷，因此，不能像平常測圖一樣，依據地形特征進行逐點測繪；昏暗環境亦是常規儀器無法準確測量的，而采用超聲波可以較好解決此類問題，它具有方向性好、穿透能力強、靈敏度高、檢驗速度快、對人體無害等特點，并且可以在不同介質中傳播。因超聲波的此類特性，使其廣泛地應用于多個領域的檢測和測量，如超聲波測距地、地下形貌測量，于是測深儀成為了現代的主要測深方法，它能根據回波時間和聲速來確定被測點的水深，通過水深的變化了解水下地形情況。

為了能適用于更復雜的環境，新技術采用的新型儀器整體設計理念為一種用于山地、水下或昏暗環境的超聲波地形測繪飛行器。在提高精準度上，作為優選，新技術中的飛行器采用基于超聲波的四旋翼室內定位方法，隨著時代科技的進步，四旋翼飛行器在多方面得到廣泛運用，基于超聲波的四旋翼室內定位方法也就是利用機載超聲波傳感器，達到發射和接收超聲波的作用，并使用AVR單片機計算飛行器在各個方向與障礙物之間的距離，最后將AVR單片所計算距離數據發送到PIXHawk飛行控制芯片，進行四旋翼飛行器姿態控制和偏差調整，實現四旋翼飛行器的精確定位。在攝像方面，人工視覺的攝像頭已經不能滿足現階段社會的需求，它對光線有著較高的要求，當出現光線偏暗或明暗變化較快時，數據采集難度會上升，甚至出現誤采和無法采集的情況，另一方面，如果攝像頭數據量采集過大，運算處理時間會較長，從而數據實時性失去了可靠的保障[4-5]，而超聲波技術則克服了此類問題，它具有不受光線影響、數據處理簡單、精度高、成本低廉、應用便捷等優點，在測繪與定位領域得到廣泛青睞。

本實用新型儀器配搭超聲波地形測量儀、攝像系統，將現有的超聲波水下地形測量儀進行了適當改造后搭載到旋翼飛行器上，采用了無線連接的方式來實現操作，把不需要搭載在飛行器上的部分給脫離出來，減輕四旋翼飛行器的負載。在設計上采用矩形平面設計和四角支撐腳相結合最大限度上增加了水、地面接觸面積，為測量飛行器的安全性和數據有效性增添了一份有力保障，而支撐腳末端的氣囊設置則進一步擴大了儀器的環境適應性和實用性，克服了現有的超聲波水下地形測量儀的限制，可用于山地、水下的地形測繪。不僅如此，本實用新型儀器照明和攝像系統與超聲波地形測量儀的控制電路連接，遙控系統中的計算機通過軟件將所采集數據繪制成地形圖[7]然后顯示出來，也可以同時顯示照明和攝像系統傳輸過來的視頻信號，從而此款飛行器更能適應于山洞、隧道等昏暗環境。

5 結 論

我國地域遼闊,海域寬廣,自然條件復雜多樣,伴隨著國民經濟的發展,水利工程、鐵隧、橋梁等基本建設的需要,水下地形測量順勢必然會有著新的要求,這時就需要適合各種情況的測深儀應運而生。而本款飛行器則是為解決難題而生，它是一種用于山地、水下或昏暗環境的超聲波地形測繪飛行器，適用于水陸空三種環境的飛行器，它的產生極大地解決了復雜環境測繪難題，脫離了限制，在水陸空三種環境皆可使用，僅用一款儀器就能適用于多種測量環境，不但在經濟上節約了成本，在時間上也有節省，加快整體施工進度。而機架設計有氣囊這一人性化的設計，加大了對飛行器的保護，從而延長使用壽命。采用超聲波測繪也提高了數據的精確性、實時性與可靠性；本款用于山地、水下或昏暗環境的超聲波地形測繪飛行器，是地形測繪的絕佳選擇。

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