雙無人機(jī)跟蹤飛行系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

李勇慶　潘磊　王琛　戴錚　李燦

摘要：隨著無人機(jī)技術(shù)的大力發(fā)展，單架無人機(jī)已能完成很多任務(wù)。在執(zhí)行復(fù)雜任務(wù)的性能和效率方面多機(jī)系統(tǒng)比單機(jī)高出許多，為了能夠更好地研究無人機(jī)集群控制，本項(xiàng)目從雙無人機(jī)系統(tǒng)入手研究無人機(jī)的集群控制。在本項(xiàng)目中將設(shè)計(jì)兩架四旋翼無人機(jī)的跟蹤飛行系統(tǒng)，其中一架四旋翼無人機(jī)作為領(lǐng)航，通過二者之間的互相通信，采用協(xié)同控制達(dá)到另一架無人機(jī)跟蹤領(lǐng)航無人機(jī)飛行的目的。

關(guān)鍵詞：四旋翼無人機(jī)；跟蹤飛行；協(xié)同控制；集群控制

中圖分類號(hào)：V216.8 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-9416（2017）04-0190-03

1 引言

四旋翼無人機(jī)，是一個(gè)簡(jiǎn)單的十字形的飛行器，因其操作簡(jiǎn)單、實(shí)際運(yùn)用能力強(qiáng)，特別適用于偵察、搜尋、探測(cè)等空中作業(yè)，在軍事和民用領(lǐng)域運(yùn)用廣泛。單機(jī)四旋翼無人機(jī)目前已經(jīng)發(fā)展得較為完善，但在執(zhí)行復(fù)雜任務(wù)的時(shí)候總體性能不如多機(jī)協(xié)同工作。通過多機(jī)協(xié)同控制，四旋翼無人機(jī)集群飛行在復(fù)雜任務(wù)中作用突出，多機(jī)系統(tǒng)的總體性能、效率比單機(jī)高。

為探索多無人機(jī)協(xié)同工作的理論與實(shí)現(xiàn)機(jī)理，國外以及開展了大量的相關(guān)研究項(xiàng)目。其中具有代表性的是美國國防部高級(jí)研究計(jì)劃局（DARPA）牽頭的自治編隊(duì)混合主動(dòng)控制項(xiàng)目（Mixed Initiative Control of Automata-teams，MICA）[1-3]、廣域搜索彈藥項(xiàng)目（Wide Area Search Munitions，WASM）[4-6]和歐洲信息社會(huì)技術(shù)計(jì)劃（Information Society Technologies，IST）資助的異構(gòu)無人機(jī)群實(shí)時(shí)協(xié)同與控制項(xiàng)目（Real-time Coordination and Control of Multiple Heterogeneous UAVs，COMENTS）[7-10]等。除此之外，一些國外高等院校也開始參與到多無人機(jī)編隊(duì)以及一致性控制等方面的研究：麻省理工、加州理工等三所高校一起合作完成了分布式協(xié)同控制項(xiàng)目，其中涉及到多無人機(jī)路徑規(guī)劃、編隊(duì)控制等[11]。

相對(duì)于國外，國內(nèi)對(duì)多智能體協(xié)同控制的研究比較晚，但也取得了豐碩的成果。比如北京理工大學(xué)鄧啟波[12]等人針對(duì)復(fù)雜的無人機(jī)協(xié)同飛行問題，考慮無人機(jī)的資源有限性、多任務(wù)間時(shí)序約束等，以圖論和組合優(yōu)化理論為主要數(shù)學(xué)工具，建立多無人機(jī)協(xié)同任務(wù)規(guī)劃問題的數(shù)學(xué)模型。哈爾濱工業(yè)大學(xué)劉書林[13]等人提出基于超橢圓方程位置約束，利用位置誤差和同步控制算法來實(shí)現(xiàn)對(duì)四旋翼無人機(jī)的編隊(duì)控制，并結(jié)合歐拉-拉格朗日動(dòng)態(tài)方程設(shè)計(jì)出控制力拒；西北工業(yè)大學(xué)的朱旭[14]等人提出了基于一致性理論的多無人機(jī)編隊(duì)隊(duì)形保持算法，建立了多無人機(jī)編隊(duì)通信拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并基于此提出多無人機(jī)集結(jié)、解散以及隊(duì)形變換策略。

本文在飛行器集群控制相關(guān)技術(shù)研究以及閱讀相關(guān)理論知識(shí)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一個(gè)雙無人機(jī)協(xié)同控制飛行的方法。

2 四旋翼無人機(jī)飛行原理及構(gòu)建

2.1 四旋翼無人機(jī)飛行原理

四旋翼無人機(jī)通過調(diào)節(jié)四個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)速去控制四個(gè)旋翼，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)升力的變化。根據(jù)四個(gè)電機(jī)所控制的相對(duì)應(yīng)的旋翼產(chǎn)生不同的升力的同時(shí)去調(diào)節(jié)四旋翼無人機(jī)的飛行姿態(tài)以及高度。由于位于兩條對(duì)角線上的電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向不同，因此當(dāng)無人機(jī)平衡飛行時(shí)，陀螺效應(yīng)和空氣動(dòng)力扭矩效應(yīng)均被抵消。根據(jù)四旋翼無人機(jī)上四個(gè)電機(jī)轉(zhuǎn)速的不同可以完成垂直運(yùn)動(dòng)、前后運(yùn)動(dòng)以及偏航運(yùn)動(dòng)。

2.2 四旋翼無人機(jī)硬件電路設(shè)計(jì)

2.2.1 四旋翼無人機(jī)基礎(chǔ)硬件構(gòu)建

四旋翼無人機(jī)的主要硬件部件有：無刷電機(jī)，電子調(diào)速器，螺旋槳（兩個(gè)正槳，兩個(gè)反槳），機(jī)架以及飛行控制芯片。四個(gè)相同直徑的螺旋槳對(duì)稱分布在機(jī)體的四個(gè)機(jī)體支架端。通過飛行控制芯片控制電子調(diào)速器進(jìn)而控制電機(jī)，電機(jī)控制對(duì)應(yīng)的螺旋槳，達(dá)到控制無人機(jī)姿勢(shì)以及高度的目的。

2.2.2 主控芯片

本設(shè)計(jì)采用STM32F103ZET6作為主控芯片，其作用有三。一，控制飛控芯片來調(diào)整四旋翼無人機(jī)的飛行姿態(tài)以及位置高度。二，控制GPS定位以及光流傳感器，對(duì)兩者采集到的位置信息進(jìn)行解讀。三，通過UART進(jìn)行光流傳感器、GPS與單片機(jī)間的通信，通過藍(lán)牙進(jìn)行兩臺(tái)無人機(jī)上的單片機(jī)之間的通信。STM32F103ZET6單片機(jī)控制PIXHAWK進(jìn)行四旋翼無人機(jī)飛行姿態(tài)及高度位置的調(diào)整，利用GPS與光流傳感器對(duì)主機(jī)的位置高度進(jìn)行采集，采集的信息送回STM32F103ZET6單片機(jī)。單片機(jī)再將主機(jī)的位置信息報(bào)給從機(jī)，控制從機(jī)的飛行狀態(tài)，進(jìn)而達(dá)到主機(jī)控制從機(jī)協(xié)同飛行的目的。主控芯片的工作圖如圖1所示。

2.2.3 飛控芯片

PIXHAWK是一個(gè)雙處理器的飛行控制器，擁有32bit ST32F427 CORTEX M4核心，168MHz/256KB RAM 以及2MB Flash處理器，并配備有32bit STM32F103的協(xié)處理器用來保障安全，14路PWM輸出。在飛翼模式中，可以使用飛行備份系統(tǒng)，存儲(chǔ)飛行狀態(tài)等數(shù)據(jù)，進(jìn)行高速數(shù)據(jù)記錄。PIXHAWK的傳感器16bit陀螺芯片、14bit加速度/磁場(chǎng)芯片以及氣壓芯片，支持?jǐn)?shù)字差壓傳感器作為空速傳感器。所有的外設(shè)輸出帶有功率保護(hù)，所有的輸入帶有靜電保護(hù)。綜合考慮下，PIXHAWK飛行控制芯片符合本設(shè)計(jì)需要的的硬件條件。

2.2.4 GPS定位

GPS具有全方位、全天候、全時(shí)段、高精度的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，能為四旋翼無人機(jī)提供高精度的三維位置、速度，且抗干擾能力強(qiáng)，適合室內(nèi)外四旋翼無人機(jī)的定位導(dǎo)航。

2.2.5 光流傳感定位

光流是一種簡(jiǎn)單實(shí)用的圖像運(yùn)動(dòng)的表達(dá)方式，通常定義為一個(gè)圖像序列中的圖像亮度模式的表觀運(yùn)動(dòng)，這種定義認(rèn)為光流只表示一種幾何變化。1998年Negahdaripour將光流重新定義為動(dòng)態(tài)圖像的幾何變化和輻射度變化的全面表示[15]。光流傳感器能對(duì)視覺運(yùn)動(dòng)進(jìn)行測(cè)量并輸出二維測(cè)量值，近年來，使用光流傳感器進(jìn)行無人機(jī)導(dǎo)航和避障一直是個(gè)熱點(diǎn)問題。光流傳感器通過IAS以一定速率連續(xù)采集物體表面圖像，再由DSP對(duì)所產(chǎn)生的圖像數(shù)字矩陣進(jìn)行分析。由于相鄰的兩幅圖像總會(huì)存在相同的特征，通過對(duì)比這些特征點(diǎn)的位置變化信息，便可以判斷出物體表面特征的平均運(yùn)動(dòng)，這個(gè)分析結(jié)果最終被轉(zhuǎn)換為二維的坐標(biāo)偏移量，并以像素?cái)?shù)形式存儲(chǔ)在特定的寄存器中，實(shí)現(xiàn)對(duì)運(yùn)動(dòng)物體的檢測(cè)。利用光流傳感器，我們可以從光流場(chǎng)中近似得到不能直接得到的運(yùn)動(dòng)場(chǎng)。本設(shè)計(jì)結(jié)合GPS定位系統(tǒng)與光流傳感器定位，更加精準(zhǔn)地獲得四旋翼無人機(jī)的位置以及高度信息。

3 四旋翼無人機(jī)軟件設(shè)計(jì)

3.1 UART通信模塊

UART：通用異步收發(fā)傳輸器，是一種異步收發(fā)傳輸器，可以實(shí)現(xiàn)全雙工傳輸和接收?？紤]到傳輸效率以及準(zhǔn)確度，本設(shè)計(jì)采用為八位數(shù)據(jù)位，并設(shè)置奇偶校驗(yàn)位，以此來校驗(yàn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_性，設(shè)置的波特率為115200字符/秒。UART通信模塊用于GPS、光流傳感器與STM32F103ZET6單片機(jī)之間的通信，將GPS、光流傳感器采集到的位置信息傳送給單片機(jī)。

3.2 藍(lán)牙通信模塊

藍(lán)牙無線技術(shù)采用的是一種拓展窄帶信號(hào)頻譜的數(shù)字編碼技術(shù)，通過編碼運(yùn)算增加發(fā)送比特的數(shù)量，擴(kuò)大帶寬。藍(lán)牙使用跳頻方式來拓展頻譜，跳頻擴(kuò)頻使得帶寬上信號(hào)的頻譜密度降低，大大提高系統(tǒng)抗干擾能力，使得數(shù)據(jù)傳輸更加可靠。藍(lán)牙采用時(shí)分雙工傳輸方案，使用一個(gè)天線利用不同的時(shí)間間隔發(fā)送和接收信號(hào)，且在發(fā)送和接收信息中通過不斷改變傳輸方向來共用一個(gè)信道，實(shí)現(xiàn)全雙工傳輸。藍(lán)牙無線技術(shù)是一種短距離通信系統(tǒng)，能在移動(dòng)中進(jìn)行無線連接和通信，支持無線設(shè)備到有線網(wǎng)絡(luò)之間的無線連接，只要連接到局域網(wǎng)的藍(lán)牙接入點(diǎn)，就可以實(shí)現(xiàn)有線局域網(wǎng)的無線數(shù)據(jù)連接。利用藍(lán)牙無線技術(shù)功耗低，支持無線連接和通信的優(yōu)點(diǎn)，雙無人機(jī)能夠進(jìn)行良好的通信，主機(jī)將位置信息以及四個(gè)電機(jī)的速度信息發(fā)送給從機(jī)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)從機(jī)自主達(dá)到飛行動(dòng)作的目的。

4 無人機(jī)協(xié)同控制

雙四旋翼無人機(jī)協(xié)同飛行，利用一架主機(jī)進(jìn)行領(lǐng)航飛行，從機(jī)進(jìn)行跟隨飛行，當(dāng)獲取了主機(jī)的位置、方向角以及電機(jī)速度，即獲知了主機(jī)的飛行狀態(tài)?？刂茝臋C(jī)與主機(jī)之間的水平距離、方向角以及電機(jī)速度便可以達(dá)到雙四旋翼無人機(jī)的協(xié)同飛行目的。無人機(jī)的方向角由四個(gè)電機(jī)不同的速度而產(chǎn)生，所以將問題進(jìn)一步簡(jiǎn)化成獲取主機(jī)的位置以及四個(gè)電機(jī)的速度。

為了做到雙無人機(jī)的距離控制，雙無人機(jī)的距離控制如圖2所示，X2、Y2為主機(jī)的二維平面坐標(biāo)位置，X1Y1為從機(jī)的二維平面坐標(biāo)圖，L為主機(jī)與從機(jī)的絕對(duì)位置差。當(dāng)控制雙四旋翼無人機(jī)處于同一飛行水平面時(shí)，主機(jī)通過GPS、光流傳感器獲取自身的動(dòng)態(tài)位置信息，將位置信息通過藍(lán)牙通信將主機(jī)的動(dòng)態(tài)位置信息實(shí)時(shí)發(fā)送給從機(jī)，從機(jī)在接收到主機(jī)的動(dòng)態(tài)位置信息后，在保證絕對(duì)位置差L不變的前提下，通過STM32F103ZET6單片機(jī)將所獲取的位置信息進(jìn)行相應(yīng)的更改，操作飛行控制芯片PIXHAWK，將從機(jī)的飛行位置進(jìn)行相應(yīng)的改變，達(dá)到雙無人機(jī)的距離控制。

為了達(dá)到雙無人機(jī)的方向角以及電機(jī)速度的一致，通過藍(lán)牙通信模塊將主機(jī)四個(gè)電機(jī)的速度信息發(fā)送給從機(jī)，進(jìn)而達(dá)到雙無人機(jī)電機(jī)的速度控制。主機(jī)四個(gè)電機(jī)的速度信息一一對(duì)應(yīng)于從機(jī)的四個(gè)電機(jī)，掌握了四個(gè)電機(jī)的速度信息也便掌握了機(jī)身的方向角，即飛行姿態(tài)。雙無人機(jī)的速度控制如圖3所示。

5 結(jié)語

本文設(shè)計(jì)并初步實(shí)現(xiàn)了雙無人機(jī)跟蹤飛行系統(tǒng)，該系統(tǒng)相比其他的集群控制算法，協(xié)同控制具有原理較簡(jiǎn)單，可行性高等特點(diǎn)?？蔀槿蘸笱兄贫酂o人機(jī)協(xié)同控制打下一定的基礎(chǔ)。本設(shè)計(jì)由無人機(jī)基礎(chǔ)構(gòu)造、無人機(jī)通信、無人機(jī)協(xié)同控制三部分組成。本課題主要進(jìn)行了如下工作：分析雙四旋翼無人機(jī)相互通信方法以及分析無人機(jī)定位的方式手段并且分析該多無人機(jī)協(xié)同控制的可行性。

綜上所述，本文設(shè)計(jì)的雙無人機(jī)跟蹤飛行系統(tǒng)，具有可行性強(qiáng)、可靠性的特點(diǎn)，具有實(shí)現(xiàn)雙無人機(jī)快速響應(yīng)，協(xié)同飛行的的能力，為日后研究發(fā)展多無人機(jī)集群控制打下基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)

[1]Jerry W.，Asif K.，David C.， et al. Stochastic， Hierarchical， Adaptive， Real-time Control （SHARC）of Automa-Teams for Tactical Military Operations[C]. 1st UAV Conference. 2002. AmericanInstitute of Aeronautics and Astronautics. AIAA 2002-3453.

[2]Michael O. Mixed Initiative Control of Automa-teams （MICA）一a Progress Report[C]. AIAA 3rd"Unmanned Unlimited" Technical Conference， Workshop and Exhibit. 2005. American Instituteof Aeronautics and Astronautics. AIAA 2004-6483.

[3]Adams M. B.，Lepanto J. A.， Hanson M. L. Mixed Initiative Command and Control ofAutonomous Air Vehicles[J].Journal of Aerospace Computing， Information， and Communication， 2005， 2 （2）： 125一153.

[4]Schumacher C.，Chandler P. R.，Rasmussen S. R. Task allocation for wide area search munitionsvia network flow optimization[C]. AIAA Guidance， Navigation， and Control Conference.Montreal， Canada， 2001. AIAA 2001-4147.

[5]Schumacher C.，Chandler P. R.，Rasmussen S. R. Task Allocation for Wide Area SearchMunitions via Iterative Network Flow[C]. AIAA Guidance， Navigation， and Control Conference. Monterey， California， USA， 2002. AIAA 2002-4586.

[6]Warfield L.，Carretta T. R.，Patzek M. J.， et al. Comparing Manual and Cooperative ControlMission Management Methods for Wide Area Search Munitions[R].2009.

[7]Ollero A.，Maza I. Multiple Heterogeneous Unmanned Aerial Vehicles[M]. Berlin Heidelberg：Springer， 2007.

[8]Ollero A.，Lacroix S.，Merino L.， et al. Multiple Eyes in the Skies： Architecture and PerceptionIssues in the COMETS Unmanned Air Vehicles Project[J]. Robotics&Automation Magazine， IEEE， 2005， 12 （2）： 46-57.

[9]Merino L.，Caballero F.，Martinez-De Dios J. R.， et al. Cooperative Fire Detection usingUnmanned Aerial Vehicles[C]. Proceedings of the 2005 IEEE International Conference onRobotics and Automation. 2005： 1884一1889.

[10]COMETS Project web site[EB/OL]. [2014-2-6]. http：//www.comets-uavs.org/.

[11]Kim J. Accurate Modeling and Robust Hovering Control for a Quad -rotor VTOL Aircraft[J]. Intelligent and Robotic Systems， 2010， 57（4）：9-26.

[12]鄧啟波.多無人機(jī)協(xié)同任務(wù)規(guī)劃技術(shù)研究[M].北京：北京理工大學(xué)，2014.

[13]劉書林.四旋翼無人機(jī)編隊(duì)飛行的控制策略研究[M].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2016.

[14]朱旭.基于信息一致性的多無人機(jī)編隊(duì)控制方法研究[M].西安：西北工業(yè)大學(xué)，2014.

[15]Negahdaripour， S.（1998）. "Revised definition of optical flow： Integration of radiometric and geometric cues for dynamic scene analysis." Pattern Analysis and Machine Intelligence， IEEE Transactions on 20（9）：961-979.