四旋翼無人機自主降落系統(tǒng)

郭嘉辰，朱文秀，白朋飛，王天淼，吳小鳳,寧江峰

(1. 吉林化工學(xué)院 信息與控制工程學(xué)院,吉林 吉林 132022；2.東北電力大學(xué) 自動化工程學(xué)院，吉林 吉林 132011)

近年來，隨著計算機技術(shù)的飛速發(fā)展，旋翼無人機行業(yè)也獲得了飛速的發(fā)展，逐漸應(yīng)用在多個行業(yè)之中，如航拍、農(nóng)業(yè)植保、電力巡檢、影視拍攝、災(zāi)后搜救等[1-2]。旋翼無人機可以輕松的做到一些人們不容易做到的事情，合理地運用旋翼無人機可以提高勞動生產(chǎn)率，降低人們的勞動強度。隨著旋翼無人機應(yīng)用領(lǐng)域的增加，旋翼無人機自主降落精度較低的問題也逐漸暴露出來[3]。在經(jīng)典的無人機控制系統(tǒng)中，降落時是以GPS 為基礎(chǔ)對無人機的位置進行定位，但由于GPS 信號會受到自身精度以及信號強度的影響，系統(tǒng)降落時只能降落到以標定點為圓心，半徑為一米左右的圓內(nèi)，在很多場景中這些偏差都無法忽視，甚至?xí)蔀闊o人機降落的重大隱患。提高旋翼無人機自主降落的降落精度可以保障旋翼無人機的安全回收和循環(huán)作業(yè)，同時也讓旋翼無人機在降落環(huán)境嚴苛的場合中可以得以應(yīng)用[4]。

主要研究了四旋翼無人機自主降落的問題。針對以上問題，設(shè)計了一種以STM32 單片機和樹莓派為核心的四旋翼無人機自主降落系統(tǒng)。全文主要包括四旋翼無人機結(jié)構(gòu)及原理、系統(tǒng)硬件設(shè)計和系統(tǒng)軟件設(shè)計3 部分。

1 四旋翼無人機結(jié)構(gòu)及原理

1.1 四旋翼無人機結(jié)構(gòu)

四旋翼無人機一般有十字型和X 字型2 種結(jié)構(gòu)[5]。其中，十字型無人機的機頭方向與無人機某條機臂的方向相同，X 型無人機的機頭方向朝向兩條機臂的中線方向相同[6]。本設(shè)計將以X 型無人機為實驗平臺進行測試實驗。

X 型無人機結(jié)構(gòu)示意圖見圖1，采用正反轉(zhuǎn)電機以及正反槳葉的設(shè)計來解決四旋翼無人機的陀螺效應(yīng)。不同對角線上的電機旋轉(zhuǎn)方向相反，且按照電機旋轉(zhuǎn)方向，槳葉分為正反槳[7]。其中電機0、2 為順時針旋轉(zhuǎn)，槳葉為正槳，電機1、3 為逆時針旋轉(zhuǎn)，槳葉為反槳。以此保證四旋翼無人機可以平穩(wěn)飛行。

圖1 四旋翼結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 四旋翼無人機控制原理

四旋翼無人機的基本運動方式可分為俯仰、翻滾、偏航、垂直、橫向5 種[8]，通過控制4 個電機的轉(zhuǎn)速，可以對四旋翼無人機的姿態(tài)和運動軌跡進行控制。

1.2.1 俯仰運動

提高（降低）電機0、3 的轉(zhuǎn)速，同時降低（提高）電機1、2 的轉(zhuǎn)速，可以改變無人機的俯仰姿態(tài)。

1.2.2 翻滾運動提高（降低）電機0、1 的轉(zhuǎn)速，同時降低（提高）電機2、3 的轉(zhuǎn)速，可以改變無人機的翻滾姿態(tài)。

1.2.3 偏航運動

提高（降低）電機0、2 的轉(zhuǎn)速，同時降低（提高）電機1、3 的轉(zhuǎn)速，可順時針（逆時針）調(diào)整四旋翼無人機的偏航姿態(tài)。

1.2.4 垂直運動

四旋翼無人機的上升或者下降運動取決于4 個槳的升力和與機身重力的關(guān)系。因此，同時增大或減小四個電機的轉(zhuǎn)速，可以讓無人機進行垂直運動。

1.2.5 橫向運動

四旋翼無人機的橫向運動是通過對姿態(tài)的改變來實現(xiàn)的。因此，通過控制無人機的姿態(tài)角角度可實現(xiàn)橫向運動。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)采用STM32 處理器和樹莓派作為系統(tǒng)整體的控制核心，機載攝像頭與樹莓派相連接，激光傳感器和姿態(tài)傳感器與STM32 相連接，STM32 發(fā)出的控制信號通過控制電路對電機轉(zhuǎn)速進行調(diào)節(jié)?？刂葡到y(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖2。

圖2 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)通過姿態(tài)傳感器、激光傳感器和機載攝像頭測出系統(tǒng)的姿態(tài)、高度和位置，并將數(shù)據(jù)傳入STM32中，控制器根據(jù)測量的數(shù)據(jù)和期望的姿態(tài)、位置數(shù)值計算出電機的控制信號，并根據(jù)控制信號，調(diào)節(jié)四個電機的轉(zhuǎn)速，從而調(diào)整系統(tǒng)姿態(tài)、位置的目的。此外，通過樹莓派向STM32 發(fā)送控制命令可以控制系統(tǒng)的啟動停止，并且可以將系統(tǒng)的數(shù)據(jù)可視化。

2.2 核心控制模塊

系統(tǒng)的核心控制器是由STM32 單片機、樹莓派和控制底板組成，控制底板將單片機和樹莓派連接起來，并提供所需要的I/O 引腳。核心控制器部分見圖3。

圖3 核心控制器

2.3 姿態(tài)傳感器模塊

JY901 是一個姿態(tài)傾角傳感器模塊，可以實時測量芯片的狀態(tài)。模塊將測量好的姿態(tài)角提供給單片機，單片機根據(jù)所測量的實際角度改變系統(tǒng)四個旋翼的轉(zhuǎn)速，從而使系統(tǒng)穩(wěn)定。

2.4 激光傳感器模塊

采用TFmini 激光傳感器測量四旋翼系統(tǒng)的實際高度。系統(tǒng)接收到激光傳感器測量的實際高度后會將實際高度與系統(tǒng)設(shè)定的期望高度相比較，再根據(jù)二者的差值來改變電機轉(zhuǎn)速，達到調(diào)整系統(tǒng)高度的目的。

2.5 攝像頭模塊

系統(tǒng)采用IMX415 機載攝像頭尋找目標標志，根據(jù)目標標志在攝像頭視野中的位置確定系統(tǒng)與目標標志的相對偏差，系統(tǒng)根據(jù)所測量到的偏差值實時調(diào)整機身的位置，達到提高降落精度的目的。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件程序部分主要包括系統(tǒng)飛行控制、自主降落策略和人機交互3 部分。下面對這3 部分進行詳細介紹。

3.1 飛行控制程序

四旋翼無人機在正常飛行時，需要時刻調(diào)整系統(tǒng)的姿態(tài)角（即俯仰角、翻滾角和偏航角）、系統(tǒng)高度和系統(tǒng)水平位置[9-10]。首先需要時刻保證系統(tǒng)的姿態(tài)角平穩(wěn)，在姿態(tài)角穩(wěn)定的前提下對系統(tǒng)的高度進行調(diào)整，使系統(tǒng)穩(wěn)定在期望高度，待高度穩(wěn)定后，再對系統(tǒng)的橫向位置進行控制，讓系統(tǒng)可以在期望高度進行橫向移動。飛行控制流程見圖4。

圖4 飛行控制流程

3.2 自主降落策略

系統(tǒng)的降落需要使用機載攝像頭對目標標志進行捕捉，捕捉到目標標志之后計算系統(tǒng)與目標標志的相對偏差，同時調(diào)整系統(tǒng)自身位置，當(dāng)系統(tǒng)調(diào)整到與目標標志的偏差值在允許范圍之內(nèi)時進行降落并實時判斷是否需要調(diào)整機身位置。機載攝像頭識別目標標志見圖5。

圖5 機載攝像頭識別目標標志

無人機在到達指定降落地點時會巡航飛行并開始捕捉目標標志，捕捉到目標后會調(diào)整無人機位置并進行降落，在降落過程中實時對集體位置進行調(diào)整，在降落到指定高度后結(jié)束飛行。系統(tǒng)自主降落流程見圖6。

圖6 系統(tǒng)自主降落流程

3.3 人機交互

系統(tǒng)中的人機交互部分以樹莓派為核心，使用Qt軟件編寫操作界面，在操作界面上實現(xiàn)手動啟停、數(shù)據(jù)監(jiān)測、數(shù)據(jù)記錄和參數(shù)調(diào)整的功能，方便操作人員把握系統(tǒng)的實時狀態(tài)。

4 結(jié)論

在四旋翼無人機逐步應(yīng)用于各個領(lǐng)域的大環(huán)境下，需要更精準、可靠的自主降落系統(tǒng)，以便提高四旋翼無人機在使用時的可靠性和安全性。本設(shè)計以STM32 單片機和樹莓派為核心，提出了一種自主降落系統(tǒng)。通過樹莓派與地面站可以實現(xiàn)遠程控制。系統(tǒng)中STM32 單片機留有預(yù)留接口，方便后續(xù)增加額外功能。該系統(tǒng)性能穩(wěn)定、成本較低、操作簡便，可以有效的增加四旋翼無人機的使用效率，有重要的經(jīng)濟意義和現(xiàn)實意義。