基于超聲波模塊的四旋翼無(wú)人機(jī)在編隊(duì)中的定位方法

栗乾瀚 李澤陽(yáng) 李路昌

【摘要】在無(wú)人機(jī)進(jìn)行編隊(duì)飛行時(shí)，在領(lǐng)航-跟隨的編隊(duì)策略下，針對(duì)如何進(jìn)行長(zhǎng)機(jī)僚機(jī)之間的定位問(wèn)題提出了超聲波定位的解決方案。在建立的模型當(dāng)中，進(jìn)行了定位計(jì)算?？梢允篃o(wú)人機(jī)在編隊(duì)飛行當(dāng)中以固定隊(duì)形飛行。

【關(guān)鍵詞】無(wú)人機(jī);編隊(duì)飛行;超聲波定位

引言：四旋翼無(wú)人機(jī)是一種新型飛行器，從結(jié)構(gòu)上來(lái)說(shuō)，它是一種四軸給旋翼提供動(dòng)力的飛行器。四旋翼飛行器的工作原理是飛行時(shí)調(diào)節(jié)電機(jī)旋轉(zhuǎn)速度，帶動(dòng)槳葉轉(zhuǎn)動(dòng)，產(chǎn)生豎直向上的升力，使飛行器能夠在空中處于一個(gè)平穩(wěn)的飛行狀態(tài)。相比于固定翼無(wú)人機(jī)來(lái)講，四旋翼無(wú)人機(jī)有機(jī)械結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，飛行靈活，適合空中懸停和體積小等特點(diǎn)。相比單架無(wú)人機(jī)，多無(wú)人機(jī)編隊(duì)更易于完成復(fù)雜任務(wù)，提高了容錯(cuò)率，使得編隊(duì)飛行控制成為現(xiàn)下研究熱門(mén)課題。使用超聲波模塊進(jìn)行定位獲得的數(shù)據(jù)精度較高，可達(dá)到厘米級(jí)，且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。無(wú)論是在容錯(cuò)率高還是在續(xù)航，檢修，控制等方面都有較大的優(yōu)勢(shì)。

1、編隊(duì)策略

1.1 編隊(duì)形式。飛行器的編隊(duì)飛行就是兩架及以上的四軸飛行器從任意的初始位置按照事先預(yù)定好的隊(duì)形進(jìn)行飛行，并且在飛行的過(guò)程中在各個(gè)飛行器之間的距離和高度保持初始的飛行狀態(tài)。無(wú)人機(jī)的編隊(duì)控制有多種方法，主要的控制方法有領(lǐng)航-跟隨法，虛擬結(jié)果法，基于行為的方法?，F(xiàn)在存在多種編隊(duì)形式，但由于無(wú)人機(jī)搭載芯片的性能限制和無(wú)人機(jī)在空中飛行時(shí)所實(shí)時(shí)采集的姿態(tài)、位置等多種數(shù)據(jù)，為防止運(yùn)算速度低下，實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)改變不及時(shí)。采用地面基站—長(zhǎng)機(jī)—僚機(jī)編隊(duì)策略。即地面基站為機(jī)隊(duì)提供飛行數(shù)據(jù)，目標(biāo)坐標(biāo)。長(zhǎng)機(jī)為機(jī)隊(duì)中的參照物，僚機(jī)檢測(cè)自身位置，核對(duì)目標(biāo)點(diǎn)，并進(jìn)行自身的姿態(tài)調(diào)整。

1.2 長(zhǎng)機(jī)僚機(jī)結(jié)構(gòu)模型。在編隊(duì)過(guò)程中，長(zhǎng)機(jī)根據(jù)預(yù)先預(yù)定的航跡飛行，僚機(jī)的編隊(duì)則是主要控制距離的控制過(guò)程。在水平面上，輸出的指令信號(hào)都是關(guān)于速度和方向上的，通過(guò)反饋水平面雙機(jī)的距離信息來(lái)實(shí)現(xiàn)跟蹤距離控制的功能，在垂直面上，僚機(jī)根據(jù)高度的測(cè)量值來(lái)實(shí)現(xiàn)高度的控制。

2、定位方法

2.1應(yīng)用測(cè)距原理。由于編隊(duì)性質(zhì)，采用單向一對(duì)一測(cè)距法。單向測(cè)距法中由應(yīng)答器和主測(cè)距器組成，主測(cè)距器放置在被測(cè)物體上，在處理器的指令信號(hào)的作用下向位置固定的應(yīng)答器發(fā)射同頻率的無(wú)線(xiàn)電信號(hào)，應(yīng)答器在收到無(wú)線(xiàn)電信號(hào)后同時(shí)向主測(cè)距器發(fā)射超聲波信號(hào)，得到主測(cè)距器與各個(gè)應(yīng)答器之間的距離。單向測(cè)距可以實(shí)現(xiàn)兩點(diǎn)測(cè)距，當(dāng)同時(shí)有三個(gè)或三個(gè)以上不在同一直線(xiàn)上的應(yīng)答器做出回應(yīng)時(shí)，就可以計(jì)算出被測(cè)物體所在的位置。在相同的測(cè)量距離下，反射式測(cè)距法空氣對(duì)超聲波吸收較單向測(cè)距法大，因此反射式測(cè)距范圍較單向式測(cè)距范圍小。若以測(cè)得距離，根據(jù)算法便可得到待測(cè)物體的位置，實(shí)現(xiàn)定位。這樣就能實(shí)現(xiàn)一對(duì)多的控制。

2.2 領(lǐng)航機(jī)的定位。采用目視定位法，既人為控制領(lǐng)航機(jī)的位置和運(yùn)動(dòng)軌跡，使得機(jī)隊(duì)能夠以領(lǐng)航機(jī)為參考系進(jìn)行編隊(duì)飛行動(dòng)作。從單對(duì)多轉(zhuǎn)變成單對(duì)單的控制極大降低了控制成本，將更多的控制運(yùn)算壓力轉(zhuǎn)移到各個(gè)跟隨機(jī)上，減少了地面控制臺(tái)的負(fù)擔(dān)。

2.3 跟隨機(jī)的定位

采用多點(diǎn)定位法，既在領(lǐng)航機(jī)上安裝位置不同的四個(gè)超聲波定位裝置，跟隨機(jī)上安裝兩個(gè)位置不同的超聲波定位裝置。根據(jù)不同傳感器之間測(cè)得的距離參數(shù)，就能算出跟隨機(jī)相對(duì)于領(lǐng)航機(jī)的空間位置參數(shù)。再將測(cè)得相對(duì)坐標(biāo)和編隊(duì)預(yù)定編隊(duì)坐標(biāo)比對(duì)，得出需要的飛行軌跡，再配合無(wú)人機(jī)姿態(tài)控制實(shí)時(shí)刷新糾正，保證編隊(duì)穩(wěn)定性和可靠性。

3、模擬仿真與結(jié)論推導(dǎo)

3.1 領(lǐng)航機(jī)參考系的建立

在無(wú)人機(jī)領(lǐng)航機(jī)上安裝四個(gè)超聲波測(cè)距模塊，分別位于四個(gè)臂上，其距離機(jī)體臂橫剖面中心均為200mm。兩兩一組分別位于機(jī)臂上下兩側(cè)，其分布方式如圖所示。將其命名為ABCD。以機(jī)體臂為基準(zhǔn)面，機(jī)體臂橫剖面中心點(diǎn)為原點(diǎn)建立坐標(biāo)系，就可以得到四個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)A（-200，0，100） B（0，-200，-100） C（0，200，-100） D（200，0，100）。

3.2跟隨機(jī)的坐標(biāo)的確定

相比于領(lǐng)航機(jī)的超聲波模塊的安裝方式，跟隨機(jī)只需保留AC兩個(gè)位置的模塊即可，記作EF。通過(guò)E模塊和F模塊分別于A(yíng)BCD進(jìn)行測(cè)距運(yùn)算即可實(shí)時(shí)得出本機(jī)的相對(duì)位置和飛行方向。

設(shè)EF在相對(duì)坐標(biāo)系中的位置為E（x1，y1，z1）F（x2，y2，z2）解得：

E點(diǎn)：

F點(diǎn)同理。

姿態(tài)控制：

根據(jù)給定坐標(biāo)和即時(shí)坐標(biāo)，計(jì)算出在偏航，俯仰，橫滾三個(gè)方向所需角度α，結(jié)合飛控調(diào)整姿態(tài)，以達(dá)到自動(dòng)跟蹤的目的。

4總結(jié)

目前研究的成果如下：

超聲波的距離測(cè)量工作：

通過(guò)時(shí)間差定位，計(jì)時(shí)從超聲波發(fā)射超聲波開(kāi)始，遇到障礙物時(shí)反射超聲波，接收器接收到立即停止計(jì)時(shí)，從開(kāi)始到結(jié)束的時(shí)間差是波傳播的時(shí)間。障礙物和超聲波發(fā)射器之間的距離根據(jù)超聲波在空氣中的傳播速度和時(shí)間來(lái)確定。超聲波在空氣中的傳播速度受到溫度的影響較大，在計(jì)算過(guò)程中需要對(duì)溫度的影響進(jìn)行考慮。溫度和速度的計(jì)算公式可以近似看作：

其中c為超聲波在空氣中的傳播速度，一般取值為340m/s， t為發(fā)射和接收超聲波的時(shí)間差。

協(xié)同飛行的工作模擬：

這次采用的是長(zhǎng)機(jī)-僚機(jī)的模式，即地面基站為機(jī)隊(duì)提供飛行數(shù)據(jù)、目標(biāo)坐標(biāo)。長(zhǎng)機(jī)為機(jī)隊(duì)中的參照物，僚機(jī)檢測(cè)自身位置，核對(duì)目標(biāo)點(diǎn)，并進(jìn)行自身的姿態(tài)調(diào)整。運(yùn)用超聲波測(cè)距的原理，通過(guò)空間直角坐標(biāo)系的建立，在理論上確定四旋翼無(wú)人機(jī)編隊(duì)的定位控制方法。根據(jù)領(lǐng)航機(jī)和跟隨機(jī)上不同傳感器之間測(cè)得的距離參數(shù)，計(jì)算出跟隨機(jī)相對(duì)于領(lǐng)航機(jī)的空間位置參數(shù)，與預(yù)定空間坐標(biāo)進(jìn)行對(duì)比，從而達(dá)到對(duì)無(wú)人機(jī)編隊(duì)的調(diào)整和控制。

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基金項(xiàng)目：中國(guó)民航大學(xué)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目（項(xiàng)目名稱(chēng)：多旋翼無(wú)人機(jī)編隊(duì)動(dòng)態(tài)飛行，項(xiàng)目編號(hào)：IEYCAUC2019223）。

作者簡(jiǎn)介：栗乾瀚（1999-），男，本科在讀，研究方向：飛行器動(dòng)力工程。李澤陽(yáng)（1999-），男，本科在讀，研究方向：飛行器動(dòng)力工程。李路昌（1999-），男，本科在讀，研究方向：飛行器制造工程。