基于Arduino UNO平臺的多適配性無人機避障技術(shù)

王力群 林朝輝

摘 要：針對多旋翼無人機的安全避障問題，該文提出一種基于Arduino UNO的多適配性無人機避障技術(shù)。該技術(shù)基于 ATmega328P單片機的Arduino UNO硬件平臺，并選取XL-MaxSonar-EZ系列的超聲波傳感器對無人機與障礙物之間的距離進行在線測量，完成一種多適配性的無人機避撞系統(tǒng)硬件及軟件設(shè)計，并在多旋翼無人機平臺上進行多次飛行試驗驗證。試驗結(jié)果表明，該系統(tǒng)的兼容性較好，可與各種飛控系統(tǒng)及遙控接收機實現(xiàn)無縫連接，簡潔高效地實現(xiàn)多旋翼避障的目的，在無人機安全領(lǐng)域具有一定的實用價值。

關(guān)鍵詞：Arduino UNO 多適配性 避障 無人機

中圖分類號：TP391 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2016）03（c）-0018-02

隨著無人機技術(shù)的快速發(fā)展，多旋翼飛行器以其機械結(jié)構(gòu)簡單、機動性好、懸停凝視、定點懸拍、垂直起降等優(yōu)點，已成為當(dāng)前許多國家或科研機構(gòu)的研究熱點，在軍事和民用多個領(lǐng)域也都有廣闊的應(yīng)用前景。然而，隨著無人機民用化的持續(xù)加速，面對復(fù)雜的場景和成本控制要求，越來越多的安全問題體現(xiàn)了出來，無人機撞機傷人事件屢見不鮮，有效提高無人機的安全性已迫在眉睫。

無人機自主避障系統(tǒng)能夠有效的避免撞機傷人，減少損失，對無人機的普及無疑是一大利好消息。所謂無人機自主避障功能，就是無人機飛行器在飛行的過程中遇到障礙物的時候，通過自動提前識別、有效規(guī)避障礙物，達到安全飛行的效果，就目前而言，主流的多旋翼無人機避障系統(tǒng)主要有三種，分別是超聲波、TOF以及相對更加復(fù)雜的由多種測距方法和視覺圖像處理組成的復(fù)合型方法，但無論哪種方法都僅僅針對特定的飛行控制系統(tǒng)，在不了解飛控系統(tǒng)軟硬件架構(gòu)的情況下，現(xiàn)有的避障系統(tǒng)不具備良好的適配性，有一定局限性。由于目前現(xiàn)有的飛行控制系統(tǒng)基本均接收遙控器接收機的標(biāo)準(zhǔn)信號，因此，該文在接收機和飛控系統(tǒng)之間增加避障系統(tǒng)，采集遙控器接收機輸出的信號并根據(jù)避障測距傳感器所測量的無人機與障礙物之間的距離，重構(gòu)出遙控器信號輸送給飛行控制模塊，可以在不改變飛控軟硬件的情況下實現(xiàn)精確避障，這樣就能夠有效克服了傳統(tǒng)的避障系統(tǒng)設(shè)計周期長、成本高及風(fēng)險高的缺點，極大的提高開發(fā)效率。

1 系統(tǒng)架構(gòu)總體設(shè)計

多適配性無人機避障系統(tǒng)總體方案如圖1所示，避障系統(tǒng)介于遙控接收機與飛行控制系統(tǒng)之間，其主要包括超聲波傳感器及Arduino UNO平臺。其中，超聲波傳感器用于測量無人機與障礙物之間的距離，Arduino采集遙控器接收機輸出的信號，并根據(jù)所采集的距離進行邏輯判斷，重構(gòu)出遙控器信號輸送給飛行控制系統(tǒng)PWM輸入端，從而控制無人機的電子調(diào)速器來控制飛行的姿態(tài)以達到避障的目的。

2 硬件設(shè)計

2.1 電源模塊

由于該系統(tǒng)中Arduino UNO控制板為無人機記載設(shè)備，因此使用外接電源進行輸入，圖2為外部供電模塊原理圖，其中，X1是電源輸入口，電源的輸入的范圍為7～12 V，圖中D1是二極管，二極管的特性是單向?qū)?。使用二極管的目的是：即使電源輸入的正反極性反轉(zhuǎn)，也不會燒毀線路板上的元器件。

2.2 Arduino UNO與飛控接口

Arduino UNO控制板與飛控系統(tǒng)之間選擇14路數(shù)字輸入輸出接口，工作電壓為5 V，每一路能輸出和接入最大電流為40 mA。每一路配置了20～50 kΩ內(nèi)部上拉電阻。引腳的特定功能：串口信號RX（0號）、TX（1號）可與內(nèi)部USB-to-TTL芯片相連，提供TTL電壓水平的串口接收信號；外部中斷（2號和3號）為觸發(fā)中斷引腳，可設(shè)成上升沿、下降沿或同時觸發(fā)；脈沖寬度調(diào)制PWM（3、5、6、9、10、11）可以提供6路8位PWM輸出；SPI（10（SS），11（MOSI），12（MISO），13（SCK））可以SPI通信接口；LED（13號）顧名思義是Arduino專門用于測試LED的保留接口，輸出為高時點亮LED，反之輸出為低時LED熄滅。圖3為Arduino與飛控數(shù)字接口圖。

2.3 超聲波傳感器選型

系統(tǒng)選用XL-MaxSonar-EZ系列的MB1212超聲波傳感器進行測距，其適用于I2C通訊接口，它有高效的聲波功率輸出，可實時自動校準(zhǔn)，以確保用戶不斷變化的條件（電壓和聲學(xué)或電噪聲），接受范圍內(nèi)的每個讀數(shù)，自行得出最準(zhǔn)確的數(shù)值。其供電電壓為3.3～5 V，提供了由短至長的范圍探測和測距，檢測距離為0～765 cm，可以在-40 ℃～+65 ℃溫度范圍內(nèi)工作。工作時它不受物體的顏色和其他視覺特征的影響，而是采用高頻率的聲波進行檢測，符合避障傳感器的需求。

3 軟件設(shè)計

3.1 軟件流程

多適配性無人機避障系統(tǒng)軟件流程如圖4所示，Arduino Uno控制板接收遙控器接收機輸出的PPW信號，并采集超聲波傳感器所測量的無人機與障礙物之間的距離信號，進行信號判斷處理，重構(gòu)出遙控器信號輸送給飛行控制系統(tǒng)，若判斷結(jié)果大于安全距離則輸出遙控器原始信號，飛機按計劃正常飛行，若判斷結(jié)果小于安全距離，則傳遞給飛控系統(tǒng)的遙控器信號輸出=-k*（安全距離-測量距離），其中，k為一個正系數(shù)，表征避障效果強度，即k值越大，避障反應(yīng)越強烈。

3.2 算法實現(xiàn)

基于上述流程，在Arduino開發(fā)平臺進行了軟件實現(xiàn)。將安全距離設(shè)定400 mm，代碼中的控制只選用了副翼和升降舵作為控制通道，獨立了油門和方向舵通道，目的是若發(fā)生意外情況，飛手可操控油門通道讓飛機停止工作，保證重要系統(tǒng)工作的獨立穩(wěn)定性。首先進行測距，得出前方距離distance，注意distance為浮點全局變量；后對distance做了一次濾波：如果distance大于等于400，則distance賦值為400?？梢钥闯觯绻麥y出的距離是400那么變量delta就為0。如果距離是300，那么delta就是100，所以給飛機一個0～400雷達范圍，當(dāng)距離為400或者大于400時則系統(tǒng)認為是沒有障礙物的，當(dāng)有障礙物進入范圍后，這個delta的作用就是測出障礙物進入雷達范圍邊緣的距離，也可理解為超邊緣距離，而后，將這個delta除以4，作用是給delta做一個比例P，這個比例P的大小為1/4。最后，將delta作用在OUTELE=OUTELE-delta；這樣飛機遇到障礙物后，會根據(jù)障礙物的遠近做出避讓，障礙物越近，那么delta越大，避障動作越大，實現(xiàn)避開障礙目的。

4 實驗結(jié)果

為驗證系統(tǒng)設(shè)計的有效性，該文基于四軸八槳的多旋翼飛行平臺，分別選擇大疆公司的A2飛控及3DR公司的APM系統(tǒng)，進行飛行試驗驗證。在兩個試驗中，當(dāng)飛行器以平穩(wěn)的速度靠近障礙時，均可得到快速的避撞響應(yīng)，當(dāng)后退至安全距離后飛行器自主懸停。遙控器也可參與飛機姿態(tài)的控制，保證了飛行器的安全，達到了預(yù)期避障的要求。

5 結(jié)語

該文將超聲速傳感MB1212與Arduino UNO平臺相結(jié)合，通過超聲波實時采集無人機與目標(biāo)障礙物之間的距離，利用嵌入式軟件進行信號判斷處理，重構(gòu)出遙控器信號輸送給飛行控制系統(tǒng)進行避障控制，進而實現(xiàn)了一種多適配性無人機避障系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計。通過基于不同飛控系統(tǒng)的外場飛行實驗，該設(shè)計在無需了解飛控內(nèi)部信息的情況下，可高效簡潔地實現(xiàn)避障。整體設(shè)計具有成本低、可靠性高、算法復(fù)雜度低和可擴展等優(yōu)點，具有很強的實用性。

參考文獻

[1] 趙立峰，張凱，王偉.多旋翼無人機位置控制系統(tǒng)設(shè)計[J]. 計算機測量與控制，2016（3）：24-28.

[2] 劉曉玲，丁保全.基于STM32的多旋翼無人機超聲波測距系統(tǒng)[J].物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，2016（2）：13-16.

[3] 常國權(quán)，戴國強.基于STM32的四軸飛行器飛控系統(tǒng)設(shè)計[J].單片機與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2015（2）：29-32.

[4] 王剛.基于Arduino Uno平臺的跌倒檢測報警系統(tǒng)設(shè)計[J].單片機與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2015（7）：49-52.

[5] JimeNez F，Lara F，Redel R.API for communication between Labview and Arduino UNO [J].IEEE Latin America Transactions， 2014（12）：971-976.