一種可自動調(diào)節(jié)避障范圍的無人機及其工作方法設(shè)計

梁勇東 黃市生 曾志彬 吳國洪

（1.東莞理工學院機械工程學院，廣東東莞523000；2.東莞市橫瀝模具科技產(chǎn)業(yè)發(fā)展有限公司，廣東東莞523000）

0 引言

無人機作為一種新工具，能很好地代替人去執(zhí)行任務(wù)，如送快遞、偵查監(jiān)測等[1]，人們希望無人機在執(zhí)行任務(wù)時能夠自我保護，因此自動避障技術(shù)成為了無人機領(lǐng)域發(fā)展的熱點[2]。然而，現(xiàn)有的很多無人機避障范圍是固定的，且該固定的避障距離一般在3 m以上，但避障距離被設(shè)定為固定值給飛行器的使用環(huán)境帶來了局限性，例如不能在小于避障范圍的環(huán)境中正常工作，否則在這些環(huán)境中飛行器的某兩個相對方向的避障效應(yīng)會造成飛行不穩(wěn)定。針對以上不足，本文提出了一種可自動調(diào)節(jié)避障范圍的無人機及其工作方法，將從機構(gòu)設(shè)計方面與工作方法方面進行闡述。

1 硬件平臺設(shè)計

本文所設(shè)計的無人機是一種四旋翼飛行器[3]，采用三層平臺的設(shè)計方式，由下往上為第一層平臺、第二層平臺、第三層平臺。無人機的機架呈“十”字樣式，四個電機和螺旋槳分別設(shè)置在四個機臂軸的末端，構(gòu)成四旋翼飛行器。PIX4飛控設(shè)置在第二層平臺的上表面中心。pwm轉(zhuǎn)ppm模塊、接收機、ARM單片機設(shè)置在第三層平臺的上表面，激光測距傳感器設(shè)置在第一層平臺的前后左右四個方向。

接收機的通道一（CH1）至通道八（CH8）的信號線分別與pwm轉(zhuǎn)ppm模塊的PA4、PA5、PB10～PB14、PA8電連接；ARM單片機特指具有五個串口的ARM單片機；4個激光測距傳感器的TX、RX接口分別與ARM單片機的USART_RX2～USART_RX5、USART_TX2～USART_TX5接口電連接，進行串口通信，ARM單片機采集四個方向的測距信息；pwm轉(zhuǎn)ppm模塊的USART_TX2、USART_RX2分別與ARM單片機的USART_RX1、USART_TX1接口電連接，進行串口通信，ARM單片機將四個方向的測距信息整理為數(shù)組comdata形式發(fā)送給pwm轉(zhuǎn)ppm模塊；pwm轉(zhuǎn)ppm模塊的ppm信號輸出引腳與PIX4飛控的ppm信號輸入引腳電連接，進行模擬信號的傳輸。

2 工作方法設(shè)計

基于pwm轉(zhuǎn)ppm模塊，讀取來自接收機的第一通道和第二通道的pwm值，第一通道記為pwm_analog0（其影響左右方向），第二通道記為pwm_analog1（其影響前后方向），并與相應(yīng)的通道的基準值（1 400）比較。基準值是指飛行器在定點懸停時某一通道的穩(wěn)定值，如果飛行器往某一方向飛行，飛行器在該方向上的脈沖值會相對基準值發(fā)生偏差變化，變大或變小發(fā)生于飛行方向的相對性之間。

工作方法主要為一種比例算法，原理式為：

其中，BZ代表避障距離；MC代表脈沖值，即MC=pwm_analog0或pwm_analog1，與飛行速度有關(guān)；|MC-1 400|max代表某一時刻脈沖量最大差值，用最大絕對值表示，該值越大，說明飛行器在某一方向的飛行速度越大；當飛行器往某個方向飛行時，脈沖量會相對基準值1 400變化，考慮其他方向存在脈沖量的波動情況，因此要選擇脈沖量最大差值。

工作方法的具體步驟為：

（1）先計算pwm_analog0-1 400和pwm_analog1-1 400的絕 對值，即|pwm_analog0-1 400|和|pwm_analog0-1 400|，然后對兩者進行比較，擇取其中較大值，并初步選定了方向，若|pwm_analog0-1 400|＞|pwm_analog1-1 400|，說明飛行方向為左右方向中的其一；若|pwm_analog0-1 400|＜|pwm_analog1-1 400|，說明飛行方向為前后方向中的其一。

（2）通過比例運算BZ=（|MC-1 400|max）/6，即可實現(xiàn)飛行器根據(jù)飛行速度自動調(diào)節(jié)避障距離；提高飛行速度，避障距離自動增大，以保證足夠的避障距離，避免高速飛行時發(fā)生避障距離不足的現(xiàn)象；降低飛行速度，避障距離自動減小，使得飛行器可以緩慢通過一些狹窄的環(huán)境。

（3）在（1）的基礎(chǔ)上，進一步地判斷MC與1 400之間的大小，即可確定需要調(diào)節(jié)避障范圍的具體方向。例如，某一時刻通過程序運算獲知|pwm_analog0-1 400|＞|pwm_analog1-1 400|，并且pwm_analog0＜1 400，說明飛行器正在以某一速度向左飛行，該飛行速度的大小由脈沖量與基準值之間的差值決定。

（4）加設(shè)BZ1（左方向的避障距離）、BZ2（右方向的避障距離）、BZ3（前方向的避障距離）和BZ4（后方向的避障距離）四個變量，當飛行器往某一方向飛行時，在該飛行方向上需要與之飛行速度匹配的避障距離，而其他三個方向上無需該匹配性，直接保持最小避障距離即可。因此，在程序中的運算方法為（假定飛行器正在向前飛）：BZ3=BZ（與飛行速度匹配的避障距離），BZ1=BZ2=BZ4=30（最小避障距離）。

（5）步驟（1）和（2）可以使得四個方向的避障范圍都能同比例地自動增大或減小，此為避障模式一；步驟（1）至（4）可以只改變飛行方向上的避障距離，卻讓其他三個方向保持最小避障距離，此為避障模式二。兩種模式之間的切換可通過地面站的二位開關(guān)進行，該二位開關(guān)通過無線連接接收機的第七通道，事先設(shè)定好外部中斷觸發(fā)對應(yīng)的中斷處理程序，每隔一段時間讀取開關(guān)對應(yīng)第七通道的狀態(tài)值，從而判斷開關(guān)的切換情況，進而通過中斷處理程序切換兩種避障模式。

3 結(jié)語

本文所做的工作總結(jié)如下：第一，根據(jù)目標功能設(shè)計了無人機機構(gòu)；第二，根據(jù)功能要求設(shè)計了無人機的工作方法。所達到的效果是，提高無人機的飛行速度，其避障范圍也相應(yīng)增大；降低無人機的飛行速度，其避障范圍也相應(yīng)減小，使得無人機對飛行環(huán)境有了更高的適應(yīng)性，解決了某些無人機因避障距離固定且較大而不能在狹窄環(huán)境中正常工作的問題。