四旋翼無(wú)人機(jī)自主降落系統(tǒng),航天工程論文

四旋翼無(wú)人機(jī)自主降落系統(tǒng),航天工程論文內(nèi)容摘要：針對(duì)當(dāng)前四旋翼無(wú)人機(jī)自主降落精度較低，降落偏差較大的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種基于視覺(jué)定位的四旋翼無(wú)人機(jī)自主降落系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠有效減少四旋翼無(wú)人機(jī)自主降落時(shí)所產(chǎn)生的偏差。該系統(tǒng)以STM32單片機(jī)和樹(shù)莓派為系統(tǒng)核心，通過(guò)機(jī)身所帶的傳感器對(duì)飛行時(shí)的數(shù)據(jù)進(jìn)行收集。系統(tǒng)會(huì)利用偏差值調(diào)整四旋翼的姿態(tài)與位置，最終完成四旋翼無(wú)人機(jī)的自主降落。此方案有效的提高了四旋翼無(wú)人機(jī)自主降落時(shí)的精度。本文關(guān)鍵詞語(yǔ)：STM32單片機(jī);樹(shù)莓派;四旋翼;自主降落;Abstract：InviewoftheproblemsoflowautonomouslandingaccuracyandlargelandingdeviationofthecurrentquadrotorUAV,aquad-rotorUAVautonomouslandingsystembasedonvisualpositioningisdesigned.ThesystemcaneffectivelyreducethedeviationcausedbytheautonomouslandingofthequadrotorUAV.ThesystemtakesSTM32single-chipmicrocomputerandRaspberryPiasthecoreofthesystem,andobtainsthereal-timedataofthesystemthroughthemountedsensors.Therelativepositionaldeviationofthemachineandthevisualsign.Thesystemwillusethedeviationvaluetoadjusttheattitudeandpositionofthequad-rotor,andfinallycompletetheautonomouslandingofthequad-rotorUAV.ThissolutioneffectivelyimprovestheaccuracyofthequadrotorUAVwhenitisautonomouslylanding.Keyword：STM32MCU;RaspberryPi;quadcopter;autonomouslanding;近年來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，旋翼無(wú)人機(jī)行業(yè)也獲得了飛速的發(fā)展，逐步應(yīng)用在多個(gè)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(wú)人機(jī)能夠輕松的做到一些人們不容易做到的事情，合理地運(yùn)用旋翼無(wú)人機(jī)能夠提高勞動(dòng)生產(chǎn)率，降低人們的勞動(dòng)強(qiáng)度。隨著旋翼無(wú)人機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域的增加，旋翼無(wú)人機(jī)自主降落精度較低的問(wèn)題也逐步暴露出來(lái)[3]。在經(jīng)典的無(wú)人機(jī)控制系統(tǒng)中，降落時(shí)是以GPS為基礎(chǔ)對(duì)無(wú)人機(jī)的位置進(jìn)行定位，但由于GPS信號(hào)會(huì)遭到本身精度以及信號(hào)強(qiáng)度的影響，系統(tǒng)降落時(shí)只能降落到以標(biāo)定點(diǎn)為圓心，半徑為一米左右的圓內(nèi)，在很多場(chǎng)景中這些偏差都無(wú)法忽視，甚至?xí)蔀闊o(wú)人機(jī)降落的重大隱患。提高旋翼無(wú)人機(jī)自主降落的降落精度能夠保障旋翼無(wú)人機(jī)的安全回收和循環(huán)作業(yè)，同時(shí)也讓旋翼無(wú)人機(jī)在降落環(huán)境嚴(yán)苛的場(chǎng)合中能夠得以應(yīng)用[4]。主要研究了四旋翼無(wú)人機(jī)自主降落的問(wèn)題。針對(duì)以上問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種以STM32單片機(jī)和樹(shù)莓派為核心的四旋翼無(wú)人機(jī)自主降落系統(tǒng)。全文主要包括四旋翼無(wú)人機(jī)構(gòu)造及原理、系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)和系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)3部分。1四旋翼無(wú)人機(jī)構(gòu)造及原理1.1四旋翼無(wú)人機(jī)構(gòu)造四旋翼無(wú)人機(jī)一般有十字型和X字型2種構(gòu)造[5]。華而不實(shí)，十字型無(wú)人機(jī)的機(jī)頭方向與無(wú)人機(jī)某條機(jī)臂的方向一樣，X型無(wú)人機(jī)的機(jī)頭方向朝向兩條機(jī)臂的中線方向一樣[6]。本設(shè)計(jì)將以X型無(wú)人機(jī)為實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行測(cè)試實(shí)驗(yàn)。圖1四旋翼構(gòu)造示意圖X型無(wú)人機(jī)構(gòu)造示意圖見(jiàn)圖1，采用正反轉(zhuǎn)電機(jī)以及正反槳葉的設(shè)計(jì)來(lái)解決四旋翼無(wú)人機(jī)的陀螺效應(yīng)。不同對(duì)角線上的電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向相反，且根據(jù)電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向，槳葉分為正反槳[7]。華而不實(shí)電機(jī)0、2為順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，槳葉為正槳，電機(jī)1、3為逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，槳葉為反槳。以此保證四旋翼無(wú)人機(jī)能夠平穩(wěn)飛行。1.2四旋翼無(wú)人機(jī)控制原理四旋翼無(wú)人機(jī)的基本運(yùn)動(dòng)方式可分為俯仰、翻滾、偏航、垂直、橫向5種[8]，通過(guò)控制4個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，能夠?qū)λ男頍o(wú)人機(jī)的姿態(tài)和運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行控制。1.2.1俯仰運(yùn)動(dòng)提高〔降低〕電機(jī)0、3的轉(zhuǎn)速，同時(shí)降低〔提高〕電機(jī)1、2的轉(zhuǎn)速，能夠改變無(wú)人機(jī)的俯仰姿態(tài)。1.2.2翻滾運(yùn)動(dòng)提高〔降低〕電機(jī)0、1的轉(zhuǎn)速，同時(shí)降低〔提高〕電機(jī)2、3的轉(zhuǎn)速，能夠改變無(wú)人機(jī)的翻滾姿態(tài)。1.2.3偏航運(yùn)動(dòng)提高〔降低〕電機(jī)0、2的轉(zhuǎn)速，同時(shí)降低〔提高〕電機(jī)1、3的轉(zhuǎn)速，可順時(shí)針〔逆時(shí)針〕調(diào)整四旋翼無(wú)人機(jī)的偏航姿態(tài)。1.2.4垂直運(yùn)動(dòng)四旋翼無(wú)人機(jī)的上升或者下降運(yùn)動(dòng)取決于4個(gè)槳的升力和與機(jī)身重力的關(guān)系。因而，同時(shí)增大或減小四個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，能夠讓無(wú)人機(jī)進(jìn)行垂直運(yùn)動(dòng)。1.2.5橫向運(yùn)動(dòng)四旋翼無(wú)人機(jī)的橫向運(yùn)動(dòng)是通過(guò)對(duì)姿態(tài)的改變來(lái)實(shí)現(xiàn)的。因而，通過(guò)控制無(wú)人機(jī)的姿態(tài)角角度可實(shí)現(xiàn)橫向運(yùn)動(dòng)。2系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)2.1硬件系統(tǒng)構(gòu)造本系統(tǒng)采用STM32處理器和樹(shù)莓派作為系統(tǒng)整體的控制核心，機(jī)載攝像頭與樹(shù)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(hào)通過(guò)控制電路對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)節(jié)?？刂葡到y(tǒng)構(gòu)造見(jiàn)圖2。系統(tǒng)通過(guò)姿態(tài)傳感器、激光傳感器和機(jī)載攝像頭測(cè)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(cè)量的數(shù)據(jù)和期望的姿態(tài)、位置數(shù)值計(jì)算出電機(jī)的控制信號(hào)，并根據(jù)控制信號(hào)，調(diào)節(jié)四個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，進(jìn)而調(diào)整系統(tǒng)姿態(tài)、位置的目的。除此之外，通過(guò)樹(shù)莓派向STM32發(fā)送控制命令能夠控制系統(tǒng)的啟動(dòng)停止，并且能夠?qū)⑾到y(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(jī)、樹(shù)莓派和控制底板組成，控制底板將單片機(jī)和樹(shù)莓派連接起來(lái)，并提供所需要的I/O引腳。核心控制器部分見(jiàn)圖3。圖2控制系統(tǒng)構(gòu)造圖3核心控制器2.3姿態(tài)傳感器模塊JY901是一個(gè)姿態(tài)傾角傳感器模塊，能夠?qū)崟r(shí)測(cè)量芯片的狀態(tài)。模塊將測(cè)量好的姿態(tài)角提供應(yīng)單片機(jī)，單片機(jī)根據(jù)所測(cè)量的實(shí)際角度改變系統(tǒng)四個(gè)旋翼的轉(zhuǎn)速，進(jìn)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(cè)量四旋翼系統(tǒng)的實(shí)際高度。系統(tǒng)接收到激光傳感器測(cè)量的實(shí)際高度后會(huì)將實(shí)際高度與系統(tǒng)設(shè)定的期望高度相比擬，再根據(jù)二者的差值來(lái)改變電機(jī)轉(zhuǎn)速，到達(dá)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(jī)載攝像頭尋找目的標(biāo)志，根據(jù)目的標(biāo)志在攝像頭視野中的位置確定系統(tǒng)與目的標(biāo)志的相對(duì)偏差，系統(tǒng)根據(jù)所測(cè)量到的偏差值實(shí)時(shí)調(diào)整機(jī)身的位置，到達(dá)提高降落精度的目的。3系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)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(jī)交互3部分。下面對(duì)這3部分進(jìn)行具體介紹。圖4飛行控制流程3.1飛行控制程序四旋翼無(wú)人機(jī)在正常飛行時(shí)，需要時(shí)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(shí)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(duì)系統(tǒng)的高度進(jìn)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(duì)系統(tǒng)的橫向位置進(jìn)行控制，讓系統(tǒng)能夠在期望高度進(jìn)行橫向移動(dòng)。飛行控制流程見(jiàn)圖4。3.2自主降落策略系統(tǒng)的降落需要使用機(jī)載攝像頭對(duì)目的標(biāo)志進(jìn)行捕捉，捕捉到目的標(biāo)志之后計(jì)算系統(tǒng)與目的標(biāo)志的相對(duì)偏差，同時(shí)調(diào)整系統(tǒng)本身位置，當(dāng)系統(tǒng)調(diào)整到與目的標(biāo)志的偏差值在允許范圍之內(nèi)時(shí)進(jìn)行降落并實(shí)時(shí)判定能否需要調(diào)整機(jī)身位置。機(jī)載攝像頭辨別目的標(biāo)志見(jiàn)圖5。圖5機(jī)載攝像頭辨別目的標(biāo)志圖6系統(tǒng)自主降落流程無(wú)人機(jī)在到達(dá)指定降落地點(diǎn)時(shí)會(huì)巡航飛行并開(kāi)場(chǎng)捕捉目的標(biāo)志，捕捉到目的后會(huì)調(diào)整無(wú)人機(jī)位置并進(jìn)行降落，在降落經(jīng)過(guò)中實(shí)時(shí)對(duì)集體位置進(jìn)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(jiàn)圖6。3.3人機(jī)交互系統(tǒng)中的人機(jī)交互部分以樹(shù)莓派為核心，使用Qt軟件編寫操作界面，在操作界面上實(shí)現(xiàn)手動(dòng)啟停、數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)、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(shí)時(shí)狀態(tài)。4結(jié)論在四旋翼無(wú)人機(jī)逐步應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域的大環(huán)境下，需要更精準(zhǔn)、可靠的自主降落系統(tǒng)，以便提高四旋翼無(wú)人機(jī)在使用時(shí)的可靠性和安全性。本設(shè)計(jì)以STM32單片機(jī)和樹(shù)莓派為核心，提出了一種自主降落系統(tǒng)。通過(guò)樹(shù)莓派與地面站能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)程控制。系統(tǒng)中STM32單片機(jī)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(jiǎn)便，能夠有效的增加四旋翼無(wú)人機(jī)的使用效率，有重要的經(jīng)濟(jì)意義和現(xiàn)實(shí)意義。以下為參考文獻(xiàn)[1]孟學(xué)斌,齊詠生,李永亭等.基于視覺(jué)的四旋翼無(wú)人機(jī)自主降落算法研究[J].控制工程,2020,27(10):1751-1759.[2]博文，劉興東.基于四旋翼無(wú)人機(jī)的輸電線路巡檢實(shí)時(shí)自主跟蹤系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電氣開(kāi)關(guān)，2021,59(6):16-19.[3]李睿康黃奇?zhèn)?，馮輝,等.崎嶇地表上的旋翼無(wú)人機(jī)自主安全降落系統(tǒng)[J].機(jī)器人,2020,42(4):416-426.[4]曾振華,鄭匯峰祝玉杰,等.多旋翼無(wú)人機(jī)自主精準(zhǔn)降落的控制系統(tǒng)研究[J].廣東工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2020,37(1):87-94.[5]丁電寬,趙晨浩，賈天光.基于STM32的四旋翼無(wú)人機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]當(dāng)代電子技術(shù),2021,44(19):113-118.[6]宗意凱,曾憲陽(yáng),施子凡，等.基于STM32單片機(jī)四旋翼無(wú)人機(jī)自主飛行設(shè)計(jì)[J].電子技術(shù),2021,47(6):84-87.[7]許奇.四旋翼無(wú)人飛控系