鄧新禹，王 琪

(南昌航空大學(xué)信息工程學(xué)院，江西 南昌 330063)

0 引言

無(wú)人地效飛行器(Unmanned Ground Effect Vehicle)，是一種利用地面效應(yīng)原理，具有超低空飛行能力的特種飛行器。它是一種新型的在水(或地)面低空飛行的高速運(yùn)輸工具，介于飛機(jī)、艦船和氣墊船之間，既可以離開水(或地)面又可貼近水(或地)面飛行［1］。無(wú)人地效飛行器可以在地效段利用地面效應(yīng)飛行以減少燃油消耗，提高有效載重系數(shù)，增加航程［2］。但是在遇到突發(fā)情況或海(地)面飛行條件惡劣時(shí)無(wú)人地效飛行器必須掠海(地)高飛以避開障礙物和海浪。因此，無(wú)人地效飛行器在飛行過(guò)程特別是在地效段低空飛行時(shí)對(duì)飛行高度的檢測(cè)有嚴(yán)格要求。普通的超聲測(cè)距模塊的測(cè)量范圍一般在30cm～800cm之間，存在小于30cm區(qū)域的測(cè)量盲區(qū)，而紅外測(cè)距傳感器的測(cè)量范圍較短，在80cm以內(nèi)。組合測(cè)距系統(tǒng)可以在一定程度內(nèi)彌補(bǔ)超聲和紅外測(cè)距各自的不足［3］，也可為飛行器避障提供參考，為飛行器飛控系統(tǒng)提供安全可靠的高度數(shù)據(jù)。

1 系統(tǒng)總體框架

基于PSoC的無(wú)人地效飛行器高度檢測(cè)系統(tǒng)的硬件部分主要包括超聲測(cè)距、紅外測(cè)距、數(shù)據(jù)融合3個(gè)部分。測(cè)距系統(tǒng)按照測(cè)量高度分為3個(gè)階段:(1)當(dāng)飛行器飛行高度處于70cm～150cm時(shí)，僅超聲波測(cè)距數(shù)據(jù)有效;(2)當(dāng)飛行器飛行高度處于30cm～70cm時(shí)，采用超聲波和紅外組合測(cè)距;(3)當(dāng)飛行器飛行高度處于30cm以下時(shí)，僅紅外測(cè)距數(shù)據(jù)有效。飛行器起飛后，在飛控系統(tǒng)控制下飛行高度逐漸降低，超聲波測(cè)距模塊開啟并選擇飛行器所處飛行階段，判斷高度檢測(cè)方式，各傳感器將采集數(shù)據(jù)發(fā)送至PSoC(數(shù)據(jù)融合模塊)，PSoC對(duì)對(duì)應(yīng)傳感器參數(shù)進(jìn)行處理，計(jì)算并進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，再將高度參數(shù)通過(guò)UART發(fā)送至飛控系統(tǒng)，飛控中心控制飛行器姿態(tài)、俯仰、舵機(jī)，從而對(duì)飛行器穩(wěn)定性進(jìn)行控制。無(wú)人地效飛行器高度檢測(cè)系統(tǒng)總體框架如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體框架

2 組合測(cè)距模塊及硬件設(shè)計(jì)

2.1 超聲波測(cè)距原理及硬件設(shè)計(jì)

根據(jù)超聲波發(fā)射后回波的振幅、相位，超聲波發(fā)出至返回的時(shí)間差，超聲波測(cè)距方法分為幅值檢測(cè)法、相位檢測(cè)法和渡越時(shí)間法［4］。本文采用渡越時(shí)間法進(jìn)行高度檢測(cè)，當(dāng)超聲波傳感器發(fā)射的聲波遇到地(海)面反射后被接收器接收，通過(guò)測(cè)量聲波發(fā)射到接收的時(shí)間差，利用公式(1)可計(jì)算出飛行器與地(海)面間的高度差l:

式(1)中:c為超聲波在空氣中的傳播速度，t為聲波在空氣中的傳播時(shí)間，τ為環(huán)境溫度。本系統(tǒng)不考慮溫度對(duì)聲波在空氣中傳播速度的影響，所以公式可簡(jiǎn)化為公式(2):

超聲波發(fā)射電路采用方波發(fā)生器產(chǎn)生方波信號(hào)激發(fā)壓電換能器發(fā)射超聲波，本設(shè)計(jì)采用NE555D為核心搭建超聲波發(fā)射電路。555時(shí)基電路工作電壓5V～15V，其中3腳為輸出端，4腳為復(fù)位端。當(dāng)4腳為低電平時(shí)，3腳輸出也為低電平;當(dāng)555輸出方波信號(hào)時(shí)，4腳為高電平或者懸空。超聲波發(fā)射電路硬件圖如圖2所示。

超聲波接收電路采用紅外檢波專業(yè)芯片CX20106A，其調(diào)制頻率在 38kHz左右，與超聲波40kHz頻率相近。換能器接收到回波信號(hào)后，經(jīng)過(guò)CX20106A芯片放大、選頻、整形后觸發(fā)PSoC中斷計(jì)算超聲波在空氣中的傳播時(shí)間t。超聲接收電路硬件圖如圖3所示。

圖2 超聲波發(fā)射電路

圖3 超聲波接收電路

2.2 紅外測(cè)距原理及測(cè)距傳感器

本設(shè)計(jì)采用SHARP GP2D12專業(yè)紅外測(cè)距傳感器，其工作電壓4.5V ～5.5V，刷新周期 40Hz，測(cè)量范圍10cm～80cm，采用模擬信號(hào)輸出方式。GP2D12內(nèi)部由一個(gè)紅外發(fā)射管和一個(gè)PSD(位置敏感檢測(cè)裝置)以及其相應(yīng)的計(jì)算電路組成。

GP2D12利用三角測(cè)量原理實(shí)現(xiàn)對(duì)高度的測(cè)量，測(cè)量示意圖如圖4所示。紅外發(fā)射管發(fā)射光束，在遇到障礙物后，光束反射到光感應(yīng)板上并產(chǎn)生一個(gè)偏移量，同時(shí)形成一個(gè)三角關(guān)系。再利用平面幾何原理，在發(fā)射角α、光感應(yīng)板與紅外發(fā)射管位置間距離X、濾鏡焦距f固定且已知的情況下，可利用公式(3)計(jì)算出傳感器到物體的間距D:

GP2D12只有3個(gè)引腳:VCC、GND、數(shù)據(jù)傳輸線。硬件連接時(shí)直接將GP2D12接入PSoC的AD口。在使用時(shí)將傳感器放置于機(jī)頭內(nèi)部10cm處，以消除測(cè)量盲區(qū);因?yàn)檩敵鲂盘?hào)與距離為非線性關(guān)系，需要軟件進(jìn)行線性化處理。

圖4 三角測(cè)量原理

3 數(shù)據(jù)融合原理及運(yùn)算流程

文獻(xiàn)［5］對(duì)多傳感器自適應(yīng)加權(quán)平均融合估計(jì)算法進(jìn)行了詳細(xì)研究，文獻(xiàn)［6］在其基礎(chǔ)上提出了基于SMBus總線的移動(dòng)機(jī)器人多傳感器信息融合測(cè)距系統(tǒng)設(shè)計(jì)，本設(shè)計(jì)結(jié)合上述文獻(xiàn)設(shè)計(jì)無(wú)人地效飛行器多傳感器高度檢測(cè)的數(shù)據(jù)融合。

無(wú)人地效飛行器多傳感器高度檢測(cè)的數(shù)據(jù)融合運(yùn)算流程:

(1)利用式(4)和式(5)遞推地算出采樣時(shí)刻Rpp(k)和Rpq(k)。其中Rpp(k)為時(shí)刻k超聲波傳感器的自協(xié)方差;Rpq(k)為時(shí)刻k超聲傳感器p和紅外傳感器q的互協(xié)方差;Xp(i)為超聲傳感器在i時(shí)刻的測(cè)量值;Xq(i)為紅外傳感器在i時(shí)刻的測(cè)量值。

(2)利用式(6)求出時(shí)刻k的Rpq。其中Rpq(k)為時(shí)刻k的互協(xié)方差的均值(k)作為Rpq的估計(jì)值。

(3)利用式(7)求出時(shí)刻k的。其中σp為時(shí)刻k超聲波傳感器p的方差;Vp為真值與測(cè)量值的誤差。

根據(jù)式(8)計(jì)算出各個(gè)傳感器時(shí)刻k的均值。其中(k)為時(shí)刻k超聲波傳感器的均值。同理可得紅外傳感器在時(shí)刻k的均值(k)。

(4)根據(jù)式(9)求出此時(shí)刻各傳感器的最優(yōu)加權(quán)因子。其中為各個(gè)超聲傳感器時(shí)刻k的最優(yōu)加權(quán)因子。同理可得紅外傳感器在時(shí)刻k的最優(yōu)加權(quán)因子。

(5)根據(jù)式(10)求出此時(shí)刻的估計(jì)值。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

本設(shè)計(jì)高度檢測(cè)按飛行器所處高度不同分為3個(gè)階段:(1)當(dāng)飛行器飛行高度處于70cm～150cm時(shí)，處于超聲波測(cè)距階段;(2)當(dāng)飛行器飛行高度處于30cm～70cm時(shí)，采用超聲波和紅外組合測(cè)距;(3)當(dāng)飛行器飛行高度處于30cm以下時(shí)，處于紅外測(cè)距階段。故當(dāng)處于超聲檢測(cè)階段時(shí)紅外檢測(cè)權(quán)值為0，當(dāng)處于紅外檢測(cè)階段時(shí)超聲檢測(cè)權(quán)值為0。采用組合測(cè)距段高度數(shù)據(jù)為40cm和60cm處為標(biāo)定距離，紅外、超聲傳感器各采集10個(gè)有效數(shù)據(jù)。40cm標(biāo)定時(shí)，紅外傳感器數(shù)據(jù)為:39.6，39.8，40.5，39.8，41.1，40.9，40.5，40.2，39.9，40.5;超聲檢測(cè)模塊數(shù)據(jù)為:39.6，40.0，40.1，38.8，40.1，40.5，40.1，39.5，39.3，40.0。60cm 標(biāo)定時(shí)，紅外傳感器數(shù)據(jù)為:60.0，60.2，60.5，61.0，58.7，59.2，59.5，60.3，59.2，59.3;超聲檢測(cè)模塊數(shù)據(jù)為:60.5，60.8，60.9，61.6，59.5，60.1，60.3，60.7，59.8，59.9。由以上數(shù)據(jù)結(jié)合自適應(yīng)加權(quán)平均數(shù)數(shù)據(jù)融合算法可得出表1所示數(shù)據(jù)。

表1 紅外/超聲模塊數(shù)據(jù)融合表

表1中W*為紅外/超聲模塊對(duì)應(yīng)加權(quán)因子，X(k)為紅外/超聲模塊測(cè)量均值為紅外/超聲模塊融合值，X為紅外/超聲模塊測(cè)量真值。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一種基于PSoC的地效飛行器高度檢測(cè)系統(tǒng)。采用組合測(cè)距模式，提高了在地效段飛行時(shí)高度檢測(cè)的精度。其中超聲模塊采用NE555D和CX20106A組成的超聲測(cè)距模塊，并給出原理圖。GP2D12紅外測(cè)距傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單使用方便，可直接與PSoC的AD口連接。并對(duì)紅外/超聲模塊數(shù)據(jù)進(jìn)行基于自適應(yīng)加權(quán)平均數(shù)算法的數(shù)據(jù)融合，進(jìn)一步提高了數(shù)據(jù)的可靠性。

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