李潤(rùn)寧 繆月 巫俊靈 孫光闊 陶心怡
摘要:四軸飛行器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、能耗低、體積小等優(yōu)點(diǎn),在多處領(lǐng)域被使用。在復(fù)雜環(huán)境中飛行,遇到障礙物時(shí),通過(guò)人為操縱飛行器不斷改變飛行狀態(tài)避開(kāi)障礙物難度較大,該設(shè)計(jì)利用6路超聲波檢測(cè)模塊計(jì)算障礙物位置,實(shí)現(xiàn)自動(dòng)避障。具有靈活性強(qiáng)、穩(wěn)定性高等特點(diǎn),大大降低了飛機(jī)墜機(jī)的風(fēng)險(xiǎn)。
關(guān)鍵詞:四軸飛行器;智能避障;超聲波避障
中圖分類(lèi)號(hào):TP242.6 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):2095-2163(2016)02-
Design of remote control and intelligent collision avoidance of four axis aircraft based on STM32
LI Running,MIAO Yueqin,WU Junling,SUN Guangkuo,TAO Xinyi
(College of Electrical Engineering,Shanghai University of Engineering Science,Shanghai 201620,China)
Abstract:Four axis aircraft has the advantages of simple structure, low energy consumption, small volume, which is used in many fields. Flying in the complex environment, while encountering all the obstacles,it is difficult to changeaircraft flight status by manual manipulation aircraft. This paperproposesthe design of no.6 ultrasonic detection module, in which the position of obstacles is determined, and automatic obstacle avoidance is realized. The research has such advantages as strong flexibility and high stability, therefore greatly reduces the risk of the plane crash.
Key words:Quad rotor;intelligent obstacle avoidance;ultrasonic obstacle avoidance
0引言
四軸飛行器因其結(jié)構(gòu)緊湊、飛行方式獨(dú)特、切具垂直起降式特點(diǎn),使其在軍事和民用多個(gè)領(lǐng)域都已延伸拓展了廣闊應(yīng)用前景,同時(shí)非常適合在狹小空間內(nèi)執(zhí)行任務(wù)。而在復(fù)雜環(huán)境中飛行,并遇到障礙物時(shí),試圖通過(guò)人為操縱來(lái)不斷改變飛行器飛行狀態(tài)、從而避開(kāi)障礙物的執(zhí)行實(shí)施難度較大,更多情況下則會(huì)由于操作不當(dāng)導(dǎo)致飛行器損毀,由此可知人為操作避障可靠性差、可行性低。基于此,本文提出了一種智能避障設(shè)計(jì),旨在顯著降低飛行器由于人為操作失誤而墜毀的風(fēng)險(xiǎn)。
該設(shè)計(jì)利用姿態(tài)獲取技術(shù)、PID控制算法、2.4G無(wú)線(xiàn)通訊技術(shù)和智能避障算法,實(shí)現(xiàn)對(duì)四軸飛行器的精準(zhǔn)控制。系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)包括飛控部分、遙控部分和智能避障部分。其中,飛控部分采用STM32F407作為主控芯片,而且引入控制板和機(jī)架一體設(shè)計(jì)增強(qiáng)系統(tǒng)穩(wěn)定性。遙控部分采用搖桿操作輸入使操作體驗(yàn)可達(dá)現(xiàn)實(shí)極佳??刂瓢搴瓦b控器之間采用2.4G無(wú)線(xiàn)通訊模塊,保證數(shù)據(jù)穩(wěn)定傳輸。智能避障系統(tǒng)通過(guò)6路超聲波模塊數(shù)據(jù),精準(zhǔn)計(jì)算障礙物位置,實(shí)現(xiàn)智能避障。
1四旋翼飛行器的結(jié)構(gòu)原理
四旋翼飛行器的結(jié)構(gòu)一般可分為4個(gè)模塊:電機(jī)模塊,微控制器模塊,傳感器模塊以及無(wú)線(xiàn)通訊模塊,如圖1所示。具體地,電機(jī)模塊由4個(gè)旋翼、電機(jī)和電機(jī)驅(qū)動(dòng)器組成;微控制器模塊用來(lái)實(shí)現(xiàn)與其他模塊的數(shù)據(jù)傳輸并對(duì)其進(jìn)行實(shí)時(shí)控制;傳感器模塊由檢測(cè)飛行器各種姿態(tài)和指定飛行方向的傳感器組成,如加速度傳感器,陀螺儀傳感器等;無(wú)線(xiàn)通訊模塊則由無(wú)線(xiàn)發(fā)射、無(wú)線(xiàn)接收和遙控器模塊組成。
Fig.1 General composition of aircraft structures
四旋翼飛行器的工作方式分為“+”模式和“x”模式兩種。“+”模式飛行器的4個(gè)旋翼對(duì)稱(chēng)分布在飛行控制板的中軸線(xiàn)上;“x”模式飛行器的4個(gè)旋翼對(duì)稱(chēng)分布在控制板的對(duì)角線(xiàn)上。相對(duì)于“+”模式,“x”模式的飛行穩(wěn)定性更高,在狹窄的空間飛行更顯其客觀(guān)優(yōu)勢(shì),所以大部分飛機(jī)均是采用了“x”模式。飛行器通過(guò)調(diào)節(jié)4個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)速,借此改變旋翼轉(zhuǎn)速而實(shí)現(xiàn)升力的變化,從而控制飛行器的姿態(tài)和位置。四旋翼飛行器的結(jié)構(gòu)如圖2所示,可以實(shí)現(xiàn)6種基本運(yùn)動(dòng)方式。
傳統(tǒng)的四軸飛行器沒(méi)有避障傳感器模塊,也沒(méi)有智能避障算法,所以很容易由于人工操作失誤所致,與障礙物發(fā)生碰撞,導(dǎo)致飛行器墜落。本研究在傳統(tǒng)四軸飛行器的基礎(chǔ)之上提出了設(shè)計(jì)改進(jìn),增加避障傳感器,同時(shí)結(jié)合智能避障算法,由此實(shí)現(xiàn)了飛機(jī)的自動(dòng)避障,大大降低了墜機(jī)的風(fēng)險(xiǎn)。
2總體方案
3硬件設(shè)計(jì)
四軸飛行器的主要目的是實(shí)現(xiàn)遙控與自動(dòng)避障。處理器選用了STM32F407,該芯片采用ARM Cortex-M4內(nèi)核,主頻高達(dá)100MHz,具有14個(gè)定時(shí)器,144個(gè)接口,芯片擁有充分用于本研究設(shè)計(jì)的執(zhí)行實(shí)施,而且即便對(duì)于今后的深度開(kāi)發(fā)也留有足夠的拓展空間。不僅如此,考慮到日后的硬件升級(jí)和其他功能的發(fā)展完善,選擇了具有較大負(fù)載能力的50CM軸距的碳纖維機(jī)架,碳纖維機(jī)架具有強(qiáng)度高、質(zhì)量輕的特點(diǎn),完全滿(mǎn)足本文研究的現(xiàn)實(shí)需求。進(jìn)一步地,綜合速度和負(fù)載的雙重考慮,螺旋槳采用了11寸APC正反漿,為了針對(duì)MCU信號(hào)實(shí)現(xiàn)快速響應(yīng),電機(jī)驅(qū)動(dòng)選擇具有瞬態(tài)控制并且表現(xiàn)穩(wěn)定的30A無(wú)刷電子調(diào)速器,同時(shí)配備了增速更快、轉(zhuǎn)速精準(zhǔn)的x2212 kv980無(wú)刷電機(jī)。此外,電池選取的是航模中常用的3S 11.1V 2200mAh動(dòng)力鋰電池;超聲波模塊則選用HY-SRF05超聲波傳感器,該傳感器性能穩(wěn)定,盲區(qū)小,高度貼切、符合本文設(shè)計(jì)。
4軟件設(shè)計(jì)
軟件設(shè)計(jì)思想是,開(kāi)機(jī)初始化通訊模塊、傳感器模塊、避障模塊等。隨后等待電機(jī)解鎖信息的傳入,計(jì)算障礙物位置,設(shè)計(jì)避障路線(xiàn),抵達(dá)終點(diǎn)。程序設(shè)計(jì)流程如圖4所示。
飛控系統(tǒng)采用6路超聲波模塊,每個(gè)模塊檢測(cè)1個(gè)方向,6個(gè)方向分別為前、后、左、右、上、下。飛控系統(tǒng)需要不停檢測(cè)6路模塊,當(dāng)遙控器下達(dá)向某一方向前進(jìn)命令時(shí)候,若該方向上沒(méi)有障礙物,則飛機(jī)正常行駛,直至到達(dá)目的地前若都沒(méi)有遇到障礙物,則飛機(jī)將一直平穩(wěn)行駛。當(dāng)飛機(jī)前進(jìn)方向上發(fā)現(xiàn)遇有障礙物時(shí)候,則利用6路傳感器返回探測(cè)值,由此計(jì)算前方障礙物形狀,并且自動(dòng)規(guī)劃設(shè)計(jì)避障路線(xiàn),再執(zhí)行相關(guān)指令智能避過(guò)障礙物,繞過(guò)障礙物之后,將自行回到原來(lái)的飛行運(yùn)動(dòng)直線(xiàn)上。整個(gè)飛行過(guò)程則如同前述處理所示,判斷選擇循環(huán)發(fā)生,直至飛行器順利抵達(dá)目的地。
5結(jié)束語(yǔ)
本文提出了一個(gè)簡(jiǎn)易四軸飛行器遙控與智能防撞設(shè)計(jì)的研究實(shí)現(xiàn),整個(gè)方案分為遙控控制板、飛行控制板、智能防撞系統(tǒng)設(shè)計(jì)3個(gè)部分。通過(guò)2.4G無(wú)線(xiàn)模塊進(jìn)行通訊;飛控系統(tǒng)采用姿態(tài)獲取算法,根據(jù)反饋控制算法進(jìn)行電機(jī)驅(qū)動(dòng)從而實(shí)現(xiàn)飛行控制;飛控板采用一體化設(shè)計(jì)使得系統(tǒng)簡(jiǎn)單、緊湊。6路超聲波模塊同時(shí)檢測(cè),使得障礙物位置檢測(cè)精確,自動(dòng)避障系統(tǒng)設(shè)計(jì),避免了普通飛機(jī)容易失事的弊端。本文研究最終實(shí)現(xiàn)了飛行器的基本遙控與智能防撞的預(yù)期功能目的。實(shí)踐證明,該四軸飛行器飛行穩(wěn)定,障礙物位置檢測(cè)精確,避障系統(tǒng)性能穩(wěn)定,且飛行靈活,因而取得了較好的現(xiàn)實(shí)應(yīng)用效果。
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