四旋翼自主追蹤智能車的系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李金鵬 張國(guó)恒

摘要??? 本文通過無線串口獲取到地面智能車傳來的實(shí)時(shí)位置，利用濾波算法提高坐標(biāo)精度，設(shè)計(jì)導(dǎo)航算法，從而實(shí)現(xiàn)四旋翼快速精準(zhǔn)跟蹤到地面智能車。

【關(guān)鍵詞】四旋翼無人機(jī) 控制 自主導(dǎo)航

四旋翼無人機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，控制方便等優(yōu)點(diǎn)，在狹小空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)起飛，盤旋，著陸等動(dòng)作，在通過無線串口獲取到地面智能車傳來的實(shí)時(shí)位置，利用濾波算法提高坐標(biāo)精度，設(shè)計(jì)導(dǎo)航算法，實(shí)現(xiàn)四旋翼快速精準(zhǔn)跟蹤到地面智能車。

1 總體方案設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)硬件組成

四旋翼無人機(jī)呈“X”型結(jié)構(gòu)，由機(jī)架、飛控、姿態(tài)模塊、無刷電機(jī)及驅(qū)動(dòng)和無線通信模塊、電源等組成，四個(gè)螺旋槳分別固定“X”字支架末端，相鄰之間的螺旋槳轉(zhuǎn)速相反，抵消所產(chǎn)生的扭矩，智能車以STM32為處理器，搭載GPS模塊，將智能車位置坐標(biāo)發(fā)送給四旋翼，實(shí)現(xiàn)自主導(dǎo)航。

1.2 系統(tǒng)工作原理

四旋翼飛行器以STM32單片機(jī)為控制器，使用MPU-9250對(duì)四旋翼飛行姿態(tài)的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和分析處理，飛控以得到的數(shù)據(jù)作為輸入，使用控制算法調(diào)整輸出量，通串行總線控制各個(gè)電機(jī)，使四旋翼向預(yù)定姿態(tài)無限逼近，完成姿態(tài)調(diào)整。飛控通過串行總線獲得的四旋翼和智能車經(jīng)緯度坐標(biāo)，通過算法設(shè)計(jì)出四旋翼飛行追蹤地面智能車的最佳飛行路線，讓無人機(jī)可以快速追蹤目標(biāo)。如圖1為四旋翼自主追蹤智能車的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。

2 硬件的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1 硬件設(shè)計(jì)

四旋翼飛行器有四個(gè)輸入力，有六個(gè)狀態(tài)輸出，依靠四個(gè)旋翼之間的的速度差實(shí)現(xiàn)無人機(jī)的懸停、上升、下降、前后飛行、左右飛行、偏航飛行。將獲得的導(dǎo)航模塊數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波處理，使四旋翼和智能車的位置坐標(biāo)進(jìn)行不同參考系下的轉(zhuǎn)換處理，設(shè)計(jì)出最優(yōu)導(dǎo)航路線并實(shí)現(xiàn)自主導(dǎo)航。

2.2 姿態(tài)測(cè)量和導(dǎo)航模塊

姿態(tài)測(cè)量模塊集成了陀螺儀、加速度計(jì)、磁力計(jì)等單元，完成對(duì)無人機(jī)姿態(tài)數(shù)據(jù)的采集、運(yùn)算處理。模塊根據(jù)系統(tǒng)檢測(cè)到的角速度傳感值和加速度的傳感值，利用濾波算法進(jìn)行積分及補(bǔ)償運(yùn)算得到的姿態(tài)角，減少累計(jì)誤差，從而使控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)四旋翼飛行器可靠的姿態(tài)控制;導(dǎo)航模塊主要有慣性測(cè)量單元和GPS組成，慣性測(cè)量單元不依賴外部信息，不受外部干擾，可以計(jì)算車四旋翼的姿態(tài)角，但其由于時(shí)間的累加，造成的積分誤差逐漸增大，精度減小，結(jié)合GPS的定位信息進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，可以互補(bǔ)缺陷，對(duì)導(dǎo)航精度及靈敏度起著重要作用。

3 軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

四旋翼飛行器控制系統(tǒng)運(yùn)用先進(jìn)的飛行控制算法結(jié)合高精度的傳感器，使四旋翼的飛行姿態(tài)控制穩(wěn)定。系統(tǒng)上電后，先進(jìn)行初始化，對(duì)端口、時(shí)鐘進(jìn)行初始化，對(duì)GPS模塊、慣性測(cè)量單元等進(jìn)行校準(zhǔn)，通過I2C接口獲得無人機(jī)姿態(tài)測(cè)量數(shù)據(jù)和智能車GPS坐標(biāo)信息，使用卡爾曼濾波算法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，對(duì)飛行和智能車的位置進(jìn)行預(yù)估。使用經(jīng)典的PID算法，將慣性單元測(cè)量到的的角速度轉(zhuǎn)化為控制信號(hào)，計(jì)算出四旋翼電機(jī)的轉(zhuǎn)速，通過IO口發(fā)送給相應(yīng)電機(jī)，使飛行器不斷逼近預(yù)定的飛行狀態(tài)。程序流程圖如圖2所示。

4 結(jié)論與展望

（1）本文對(duì)四旋翼和智能車的模型的組成和工作原理進(jìn)行了簡(jiǎn)單的一個(gè)介紹，并對(duì)該模型提出了總體設(shè)計(jì)方案。

（2）對(duì)四旋翼導(dǎo)航進(jìn)行了軟硬件的設(shè)計(jì)，對(duì)各傳感器的數(shù)據(jù)采集和分析，采用控制算法實(shí)現(xiàn)四旋翼導(dǎo)航。

（3）系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成后，進(jìn)行了試驗(yàn)，試驗(yàn)還存在許多不足之處，判斷方向比較麻煩，無法進(jìn)行精準(zhǔn)導(dǎo)航。

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