基于UWB技術(shù)的四旋翼飛行器自主懸停實驗研究

王超+呂強+孫俊峰

摘要：在概述UWB技術(shù)測距原理的基礎(chǔ)上，從硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)兩個方面闡述了四旋翼飛行器的設(shè)計思路，介紹了四旋翼飛行器自主懸停實驗的過程，并對實驗結(jié)果進行了分析，為四旋翼飛行器在軍事領(lǐng)域的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

Abstract： Based on summarizing the ranging principle of UWB， the design thought of four rotorcraft is introduced from hardware system and software system， and process of the four rotorcraft autonomous hover experiment is explained， the experimental results are analyzed. The experiment lays the foundation of the military application of four rotorcraft.

關(guān)鍵詞：UWB；四旋翼飛行器；自主懸停

Key words： UWB；four rotorcraft；autonomous hover

中圖分類號：V475.4 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2017）34-0114-030 引言

四旋翼飛行器結(jié)構(gòu)設(shè)計簡單緊湊，單位體積提供升力較大，能夠垂直起飛、降落和懸停，并可全向運動，不受轉(zhuǎn)彎半徑的限制，飛起來機動靈活，操作性強，其在軍事領(lǐng)域的應(yīng)用十分廣泛，例如截取情報，偵查、監(jiān)視地面信息和衛(wèi)星通信，搜索與救援等。四旋翼飛行器不僅適用于空曠的室外低空環(huán)境，也適用于室內(nèi)、高樓聳立的市區(qū)及森林等復(fù)雜環(huán)境。但是由于無線信號屏蔽或者干擾的影響，很難收到GPS等衛(wèi)星信號，因此在復(fù)雜環(huán)境下的四旋翼飛行器研究成為新的研究方向。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的飛速發(fā)展，為解決復(fù)雜環(huán)境下的四旋翼飛行器定位問題提供了良好思路，尤其是UWB超寬帶技術(shù)能夠很好地解決復(fù)雜環(huán)境下四旋翼飛行器難以收到GPS信號的問題[1]。因此基于UWB技術(shù)，本文開展四旋翼飛行器自主懸停實驗研究，為其在軍事領(lǐng)域中的運用奠定基礎(chǔ)。

1 UWB技術(shù)測距定位原理

UWB（Ultra Wide Band）作為一種新興的無線載波通信技術(shù)，數(shù)據(jù)輸送采用納秒級非正弦、瞬時短脈沖，非常適合在近距離完成高速無線通信。按照美國FCC的定義，UWB信號指的是總帶寬大于等于500MHz或者相對帶寬大于20%的信號。UWB測距定位方法有多種，本文采用到達時間法（TOA）[2]。

TOA法原理很簡單，就是已知電磁波在空間傳播的速度，再根據(jù)信號在兩節(jié)點間往返時間，即可測得兩節(jié)點之間的距離。在系統(tǒng)同步誤差比較大時，通過測量往返時間來估算距離；如果系統(tǒng)處理時延極短，兩節(jié)點間同步匹配程度很高，則只需要計算到達時間，進行單程測量就可以測得距離?？紤]技術(shù)水平的緣故，本文采用雙程測量，即通過計算信號往返時間計算節(jié)點距離。具體過程如下：首先未知節(jié)點發(fā)出射頻信號，參照節(jié)點一旦接收到信號后，就會送出響應(yīng)訊號，根據(jù)未知節(jié)點發(fā)射和接收訊號的時間，推算出其與參照節(jié)點的距離，數(shù)學(xué)原理就是三邊測量法或者多邊測量法?；緮?shù)學(xué)原理如圖1所示。

根據(jù)圖1，得到距離d的計算公式：

d=[（T3-T0）-（T2-T1）]*V/2

其中v為射頻信號的傳播速度。

2 四旋翼飛行器硬件系統(tǒng)與軟件系統(tǒng)

2.1 硬件系統(tǒng) 四旋翼飛行器由四個旋翼、四個電機、一個十字機架、控制板和鋰電池等部分構(gòu)成。其核心部件包括[3]：①主控芯片：主控芯片STM32F405，用于實現(xiàn)PID算法，接收控制指令控制電機轉(zhuǎn)速，并輸出、檢測各傳感器數(shù)據(jù)等；主控芯片nRF51822，主要用來處理無線通信。②IMU傳感器模塊：IMU傳感器模塊用來感知加速度和角速度，數(shù)字運動處理器在收到數(shù)據(jù)后經(jīng)過運算能夠得到四旋翼飛行器的飛行姿態(tài)，IMU傳感器模塊在姿態(tài)控制方面具有重要作用。③UWB定位模塊：UWB定位模塊用來給四旋翼飛行器定位測距，本文采用DW1000芯片，它是一款基于UWB技術(shù)的無線收發(fā)芯片，定位精度在10厘米以內(nèi)，最高傳輸速率達6.8M/s，最遠接受距離可達300米，抗干擾能力強，能夠有效減緩信號衰減，功耗低。④無線數(shù)據(jù)傳輸模塊：無線數(shù)據(jù)傳輸模塊用于實現(xiàn)電腦與四旋翼飛行器之間的通信連接，本文使用Crazyradio PA進行無線通信，通信前需要下載相應(yīng)的模塊進行安裝編譯。

2.2 軟件系統(tǒng) 完整的四旋翼飛行器軟件系統(tǒng)是由機體及地面操作系統(tǒng)兩大部分組成。地面操作系統(tǒng)負責(zé)進行高運算量的數(shù)據(jù)處理，并通過無線數(shù)據(jù)傳輸對四旋翼進行高層次控制。機體操作系統(tǒng)采用ROS操作系統(tǒng)，它是一個開源的機器人操作系統(tǒng)，只能在LINUX上運行，可以提供大量常用于機器人系統(tǒng)的庫、硬件設(shè)備驅(qū)動、可視化程序和數(shù)據(jù)通信程序，大大提升了機器人系統(tǒng)的開發(fā)效率。在ROS操作系統(tǒng)中，一個大型任務(wù)通常被分為幾個小任務(wù)獨立開發(fā)，每個小任務(wù)以Package的形式存在。而每個Package運行的進程稱為Node，它可以與其它Node通過Topic相互通信。ROS操作系統(tǒng)通過Core內(nèi)核來管理這些Node和Topic，當一個Node啟動后，它會向Core注冊，并將自己需要發(fā)布和接收的Topic提交給Core，Core負責(zé)維護Node和Topic之間的關(guān)聯(lián)列表。每當有Node啟動或結(jié)束，Core均會更新列表以保證關(guān)聯(lián)的準確性。

3 四旋翼飛行器自主懸停實驗過程

3.1 試驗準備 本文設(shè)計的實驗場地是一個邊長為2米的正方體，四周搭上網(wǎng)，以防止四旋翼飛行器撞到墻上摔壞。同時將UWB的測距模塊固定在正方體的四個角上。接下來要做的就是搭建實驗平臺，首先將四個螺旋槳安裝在十字機架尾端，再依次將鋰電池，UWB測距芯片固定在機架質(zhì)心處，調(diào)整好重心。將三個UWB測距模塊接上電源，另一個通過USB接口與電腦相連，獲取測距數(shù)據(jù)，連接radio PA，建立與四旋翼飛行器的藍牙通信連接，就可以進行實驗了。endprint

3.2 試驗內(nèi)容 四旋翼飛行器的任務(wù)是從某一位置起飛，到達另一地點懸停，期望能通過實驗不斷調(diào)整PID參數(shù)，使其在飛行時保持姿態(tài)穩(wěn)定，能平穩(wěn)飛行到指定位置，通過調(diào)整推力值來使四旋翼穩(wěn)定懸停。但是由于PID的參數(shù)因具體系統(tǒng)和具體環(huán)境而異，因此在調(diào)試時采用了工程整定法，按照“修改-運行并觀察結(jié)果-再修改”的方法不斷進行改進。

3.3 實驗結(jié)果分析 實驗設(shè)定的懸停高度約為0.5米，起始位置坐標為（0.88，0.60，0.04），用radio PA建立四旋翼飛行器與電腦的通信連接，此時UWB測得的數(shù)據(jù)就會實時傳輸?shù)诫娔X上，電腦終端窗口就會顯示出相應(yīng)的距離信息，測得四旋翼在靜止情況下的位置坐標，以及與實際測量值相比誤差范圍波動情況，如圖2所示。

從圖2中可以清晰地看出，四旋翼停在起始位置，此時UWB實時測出位置坐標，與實際測量值相比較誤差范圍在2厘米以內(nèi)，所以定位精度還是很高的，測得的距離也是比較準確的，驗證了用三邊測量法原理進行UWB測距定位在此實驗環(huán)境下具有可行性。

賦予四旋翼飛行器一定的推力值，啟動驅(qū)動程序和TF變換，在程序中設(shè)定懸停位置為起始位置上方約0.5米的高度，四旋翼飛行器從初始位置開始起飛，直到到達指定位置，在設(shè)定好的懸停位置附近盤旋。期間路徑變化及X，Y，Z軸的位置坐標變化如圖3所示。

圖3中橫坐標單位是時間，縱坐標單位是距離，圓圈標記的地方是懸停的時間段。設(shè)定的目標是垂直起降懸停，從以上數(shù)據(jù)圖中可以看出，x方向在初始階段位置比較準確，但經(jīng)過一段時間后，懸停時的x坐標在0.7米至0.8米之間，與設(shè)定的0.88米相差了10厘米左右。懸停階段的y坐標值比較準確，始終保持在0.6到0.7米之間，與預(yù)設(shè)值相差不到。z坐標在懸停時比較穩(wěn)定，一直保持在0.6米多的高度，但是與預(yù)設(shè)值0.5米相差了10厘米。此外，四旋翼飛行器在進入懸停階段之前，先飛到高于懸停的位置，然后慢慢減速，臨近懸停階段，位姿改變較大，四旋翼在不斷進行位置與姿態(tài)地調(diào)試后，最終懸停成功。

4 結(jié)束語

本文基于UWB技術(shù)，開展四旋翼飛行器自主懸停實驗研究，其本質(zhì)是定位和飛控系統(tǒng)的設(shè)計?？紤]到室內(nèi)無法接收到GPS信號，所以采用了最近熱門的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)UWB進行定位，基本達到了實驗?zāi)繕?，為進一步改進優(yōu)化實驗設(shè)計和相關(guān)技術(shù)在軍事領(lǐng)域的推廣應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

參考文獻：

[1]袁曉，葛利嘉，朱林，鄭相全.超寬帶無線傳感器網(wǎng)絡(luò)綜述[J].測控技術(shù)，2004，23（12）：1-4.

[2]朱林.超寬帶測距定位技術(shù)研究[D].四川：四川大學(xué)，2005.

[3]王力.四旋翼無人機飛控系統(tǒng)設(shè)計[D].南昌：南昌航空大學(xué)，2015.endprint