陳根華,黎嘉明,葛旭文

(南昌工程學(xué)院信息工程學(xué)院,南昌330099)

用超聲波測(cè)距的四旋翼無(wú)人機(jī)三維防撞系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

陳根華,黎嘉明,葛旭文

(南昌工程學(xué)院信息工程學(xué)院,南昌330099)

針對(duì)四旋翼無(wú)人機(jī)碰撞事故多發(fā)的問(wèn)題,設(shè)計(jì)了一款基于超聲波測(cè)距原理的四旋翼無(wú)人機(jī)三維防撞系統(tǒng)。本系統(tǒng)利用超聲波技術(shù)實(shí)現(xiàn)測(cè)距,將無(wú)人機(jī)與周?chē)系K間三維空間方向上的距離信息采集到控制系統(tǒng),控制系統(tǒng)根據(jù)距離信息控制懸停信號(hào)與遙控信號(hào),實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)自主防撞,最后通過(guò)試驗(yàn)證明了該系統(tǒng)的正確性與合理性。該系統(tǒng)滿(mǎn)足了四旋翼無(wú)人機(jī)安全防撞要求,且具有重量輕、體積小、精度高、安全可靠等特點(diǎn)。

四旋翼無(wú)人機(jī);超聲波測(cè)距;三維防撞系統(tǒng)

引 言

隨著無(wú)人飛行器技術(shù)的不斷發(fā)展,四旋翼無(wú)人機(jī)作為方便靈活的運(yùn)載工具,廣泛應(yīng)用于航拍、工程監(jiān)測(cè)、大壩安檢等領(lǐng)域[1]。由于四旋翼無(wú)人機(jī)自身?xiàng)l件的制約,極易受飛行環(huán)境的影響,而且,無(wú)人機(jī)操控者因視覺(jué)誤差或操作失誤,也會(huì)導(dǎo)致碰撞發(fā)生,以上因素嚴(yán)重限制了四旋翼無(wú)人機(jī)在復(fù)雜惡劣環(huán)境中的應(yīng)用。目前,四旋翼無(wú)人機(jī)普遍采用保護(hù)架、降落傘等硬件保護(hù)措施[2],但是在遭遇猛烈碰撞時(shí),仍然會(huì)嚴(yán)重受損,且大大增加了無(wú)人機(jī)重量,縮短了其續(xù)航時(shí)間,因此,設(shè)計(jì)一款無(wú)人機(jī)自主防撞系統(tǒng)具有重要工程意義。

針對(duì)現(xiàn)有四旋翼無(wú)人機(jī)保護(hù)措施無(wú)法避免碰撞意外發(fā)生的問(wèn)題,本文設(shè)計(jì)了安全防撞距離可調(diào)的四旋翼無(wú)人機(jī)三維防撞系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用超聲波測(cè)距技術(shù),測(cè)量無(wú)人機(jī)與周?chē)系K間三維空間方向上的距離,并設(shè)計(jì)自主防撞算法,確定懸停信號(hào)的產(chǎn)生,控制無(wú)人機(jī)的飛行狀態(tài),實(shí)現(xiàn)自主防撞。

1 系統(tǒng)工作原理

1.1 超聲波測(cè)距原理

超聲波是指頻率大于20 k Hz的聲波[3],其方向性好,易于定向發(fā)射,常用于非接觸式測(cè)量領(lǐng)域。超聲波測(cè)距的方法主要有相位檢測(cè)法、聲波幅值檢測(cè)法、時(shí)間渡越法,本文選用時(shí)間渡越法測(cè)量三維空間方向距離。時(shí)間渡越法是由硬件或軟件產(chǎn)生多個(gè)脈沖的40 k Hz方波信號(hào),經(jīng)過(guò)功率放大后送到超聲波發(fā)射探頭,發(fā)射探頭發(fā)出多個(gè)脈沖的40 k Hz超聲波信號(hào)。超聲波借助空氣介質(zhì)進(jìn)行傳播,遇到障礙物后反射,超聲波接收探頭接收反射回來(lái)的聲波信號(hào),其超聲波傳播所經(jīng)歷的時(shí)間與超聲波傳播距離有關(guān)。因此,通過(guò)超聲波傳播時(shí)間,可計(jì)算出障礙物與超聲波探頭間的實(shí)際距離。超聲波測(cè)距原理如圖1所示。障礙物與超聲波探頭間的實(shí)際距離S為[3-4]:

其中T為超聲波傳播時(shí)間,C為超聲波傳播速度。

圖1 超聲波測(cè)距原理

由于超聲波傳播速度與溫度、空氣介質(zhì)的成分、空氣濃度有關(guān),但溫度對(duì)超聲波傳播速度的影響最大。為了保證超聲波測(cè)距的精度,需要考慮溫度對(duì)超聲波傳播速度的影響[4]。超聲波傳播速度與溫度的關(guān)系為:

C=331.5+0.606T

其中C為超聲波傳播速度;單位為m/s;T為溫度,單位為℃。

1.2 自主防撞算法及實(shí)現(xiàn)

設(shè)超聲波測(cè)距模塊測(cè)得的三維距離分別為Rx、Ry、Rz,安全防撞距離分別設(shè)置為Sx、Sy、Sz,定義懸停觸發(fā)變量FFc為:

遙控發(fā)射機(jī)與接收機(jī)利用脈沖調(diào)制技術(shù)實(shí)現(xiàn)信號(hào)的傳輸與識(shí)別。大多數(shù)無(wú)人機(jī)遙控器利用PPM信號(hào)進(jìn)行信號(hào)傳輸,在接收機(jī)端經(jīng)解碼轉(zhuǎn)化為各通道PWM信號(hào)。飛控根據(jù)PWM信號(hào)信息,控制無(wú)人機(jī)飛行。

下面詳細(xì)介紹飛控信號(hào)的參數(shù)特征。本系統(tǒng)PPM信號(hào)的幀信號(hào)周期為20 ms,其中通道數(shù)為10。PPM信號(hào)經(jīng)解碼后得到PWM信號(hào),其信號(hào)周期為20 ms,脈沖寬度為1～2 ms。飛控根據(jù)上/下、前/后、左/右三條通道的脈沖寬度,決定無(wú)人機(jī)的飛行方向。當(dāng)PWM信號(hào)脈寬為1.5 ms時(shí)[1-2],為靜止點(diǎn),即無(wú)人機(jī)處于懸停狀態(tài)。本系統(tǒng)正是利用這一特性,對(duì)無(wú)人機(jī)方向進(jìn)行分析與控制。

本系統(tǒng)作用于飛控與接收機(jī)之間,控制傳入飛控的方向信號(hào)。當(dāng)懸停觸發(fā)變量FFc=1時(shí),單片機(jī)控制CD4066切斷接收機(jī)方向信號(hào),導(dǎo)入由單片機(jī)產(chǎn)生的脈寬為1.5 ms的懸停信號(hào),使無(wú)人機(jī)處于懸停狀態(tài)。同時(shí),單片機(jī)監(jiān)測(cè)接收機(jī)方向信號(hào)的脈寬,并根據(jù)脈寬信息確定是否重新導(dǎo)入接收機(jī)信號(hào),從而達(dá)到自主防撞的目的。自主防撞設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)示意圖如圖2所示。

圖2 三維自主防撞設(shè)計(jì)示意圖

2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用5個(gè)TCT40-16T/R超聲波傳感器,對(duì)三維空間方向距離進(jìn)行測(cè)量。系統(tǒng)主要由恩智浦公司的MK60FX512VLQ15單片機(jī)[4]、超聲波發(fā)射接收電路、信號(hào)開(kāi)關(guān)電路、溫度補(bǔ)償檢測(cè)電路、聲光報(bào)警電路、人機(jī)交互電路組成,如圖3所示。其中MK60FX512VLQ15單片機(jī)作為控制器,負(fù)責(zé)采集超聲波距離信號(hào)、分析多旋翼無(wú)人機(jī)遙控接收機(jī)PWM信號(hào)、控制懸停信號(hào)與接收機(jī)信號(hào)的信號(hào)開(kāi)關(guān)、超聲波距離信息溫度補(bǔ)償、聲光報(bào)警、數(shù)據(jù)顯示、按鍵消息處理等任務(wù);CD4066多路模擬開(kāi)關(guān)組成信號(hào)開(kāi)關(guān)電路,對(duì)懸停信號(hào)與接收機(jī)信號(hào)進(jìn)行導(dǎo)入與切斷; DS18B20溫度傳感器組成溫度補(bǔ)償電路,對(duì)超聲波距離信息進(jìn)行溫度補(bǔ)償;OLED12864液晶與鍵盤(pán)輸入模塊組成人機(jī)交互電路,方便用戶(hù)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試。

圖3 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)功能框圖

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

3.1 超聲波發(fā)射電路

超聲波發(fā)射探頭發(fā)射電路需要產(chǎn)生40 k Hz、占空比為50%的方波,且驅(qū)動(dòng)能力很高。產(chǎn)生40 k Hz方波的方法有硬件電路法和軟件法,本系統(tǒng)選用軟件法,即利用單片機(jī)軟件編程產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)40 k Hz、占空比為50%的PWM信號(hào)作為發(fā)射信號(hào),降低了系統(tǒng)電路的復(fù)雜程度,然而單片機(jī)輸出功率不足,因此,本系統(tǒng)采用6個(gè)反相器構(gòu)成推挽式電路[5],對(duì)單片機(jī)PWM信號(hào)進(jìn)行功率放大,使其發(fā)射距離足夠遠(yuǎn),滿(mǎn)足系統(tǒng)測(cè)量需求。超聲波發(fā)射電路如圖4所示。

圖4 超聲波發(fā)射電路

3.2 超聲波接收電路

超聲波接收探頭接收到回波信號(hào)后,將信號(hào)轉(zhuǎn)換為脈沖信號(hào)。但由于超聲波經(jīng)過(guò)反射后有較大損耗,且回波信號(hào)中帶有干擾噪聲,因此需要對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大、整形、濾波。本系統(tǒng)選用CX20106A集成電路芯片對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理,其是一款紅外線(xiàn)檢波接收專(zhuān)用芯片,常用于電視機(jī)紅外遙控接收器[5],內(nèi)部集成了放大、濾波、整形電路,且紅外遙控器載波頻率為38 k Hz,與本系統(tǒng)所使用的超聲波頻率相近,因此可用于處理超聲波回波信號(hào)。超聲波接收電路如圖5所示。

圖5 超聲波接收電路

3.3 信號(hào)開(kāi)關(guān)電路

本系統(tǒng)采用CD4066多路模擬開(kāi)關(guān)芯片作為信號(hào)開(kāi)關(guān),控制單片機(jī)產(chǎn)生的懸停信號(hào)以及遙控接收機(jī)信號(hào)的導(dǎo)入與切斷,使各信號(hào)按照單片機(jī)指令傳入飛控。CD4066可傳輸模擬信號(hào)的頻率上限為40 MHz,各開(kāi)關(guān)間的串?dāng)_小,每個(gè)模擬開(kāi)關(guān)有輸入、輸出、控制三個(gè)端口。當(dāng)控制端加高電平時(shí),開(kāi)關(guān)導(dǎo)通;當(dāng)控制端加低電平時(shí),開(kāi)關(guān)截止。

3.4 溫度補(bǔ)償檢測(cè)電路

由于溫度對(duì)聲速影響較大,因此增加了溫度補(bǔ)償電路,以使三維距離信息更加精確。本系統(tǒng)采用DS18B20溫度傳感器[6]實(shí)時(shí)檢測(cè)當(dāng)前溫度,該傳感器測(cè)量范圍為-55～+125℃,測(cè)量結(jié)果以數(shù)字信號(hào)串行方式傳送,具有精度高、體積小、電路簡(jiǎn)單的特點(diǎn)。

3.5 人機(jī)交互電路與聲光報(bào)警電路

人機(jī)交互電路由OLED12864液晶和按鍵組成,方便用戶(hù)切換工作模式以及設(shè)置安全防撞距離。聲光報(bào)警電路由強(qiáng)光LED和蜂鳴器組成,方便用戶(hù)及時(shí)發(fā)現(xiàn)無(wú)人機(jī)的危險(xiǎn)狀況。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)以IAR Embedded Workbench for ARM為集成開(kāi)發(fā)環(huán)境,采用C語(yǔ)言編程,系統(tǒng)軟件流程如圖6所示。

圖6 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)流程圖

系統(tǒng)上電后,首先對(duì)單片機(jī)、超聲波測(cè)距電路、溫度傳感器、OLED12864液晶進(jìn)行初始化設(shè)置,然后進(jìn)入系統(tǒng)預(yù)設(shè)界面,單片機(jī)讀取當(dāng)前溫度信息、三維空間方向距離信息、各通道PWM信號(hào)參數(shù),液晶顯示三維方向距離信息、用戶(hù)模式以及安全距離,其中用戶(hù)模式分為報(bào)警模式和自動(dòng)防撞模式。當(dāng)無(wú)人機(jī)處于待飛狀態(tài)時(shí),用戶(hù)可以通過(guò)按鍵設(shè)置安全距離和用戶(hù)模式。

無(wú)人機(jī)處于飛行狀態(tài)時(shí),可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)周?chē)S空間距離信息,計(jì)算懸停觸發(fā)變量FFc。當(dāng)FFc=1時(shí),單片機(jī)產(chǎn)生懸停信號(hào),并通過(guò)CD4066導(dǎo)入飛控,使無(wú)人機(jī)處于懸停狀態(tài),同時(shí),單片機(jī)讀取該方向遙控信號(hào),若檢測(cè)到該方向遙控信號(hào)為反向運(yùn)動(dòng),則恢復(fù)導(dǎo)入遙控信號(hào),切斷懸停信號(hào),使無(wú)人機(jī)只能朝相反方向運(yùn)動(dòng),達(dá)到自主防撞目的。

5 試驗(yàn)測(cè)試與結(jié)果

為了驗(yàn)證該系統(tǒng)的防撞性能,在裝配有大疆NAZA V2飛控,以及分別裝配有華科爾DEVO 10接收機(jī)、天地飛7接收機(jī)、樂(lè)迪AT9接收機(jī)的三款四旋翼無(wú)人機(jī)上進(jìn)行多次測(cè)試。試驗(yàn)結(jié)果表明,該系統(tǒng)較好地實(shí)現(xiàn)了自主防撞功能,滿(mǎn)足了防撞設(shè)計(jì)需求。系統(tǒng)自動(dòng)防撞測(cè)試結(jié)果如表1所列。

表1 系統(tǒng)自動(dòng)防撞測(cè)試

結(jié) 語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的四旋翼無(wú)人機(jī)三維防撞系統(tǒng),適用于以PWM信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)的主流飛控,解決了傳統(tǒng)無(wú)人機(jī)采用硬件保護(hù)實(shí)現(xiàn)防撞存在的問(wèn)題。該系統(tǒng)創(chuàng)新地利用無(wú)人機(jī)與超聲波技術(shù)實(shí)現(xiàn)了自主防撞,并提出了相應(yīng)的防撞算法,大大提高了無(wú)人機(jī)的安全性,同時(shí),該系統(tǒng)設(shè)計(jì)具有成本低、重量輕、體積小、精度高等特點(diǎn),為無(wú)人機(jī)在復(fù)雜環(huán)境中的應(yīng)用提供了安全保障,具有重要的工程意義。

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陳根華(副教授),研究方向?yàn)殡娮酉到y(tǒng)設(shè)計(jì)。

10 ④當(dāng)時(shí)間足夠長(zhǎng)后,各個(gè)節(jié)點(diǎn)工作時(shí)鐘的差距會(huì)越來(lái)越大,以致出現(xiàn)時(shí)間槽混疊的現(xiàn)象,從而導(dǎo)致集群傳輸通道癱瘓。在TDMA周期為20 ms,包含4個(gè)平分TDMA周期節(jié)點(diǎn)的集群中,發(fā)生一次時(shí)間槽混疊而導(dǎo)致集群傳輸通道發(fā)送癱瘓的時(shí)間間隔約為:

圖5為在加入同步算法后,各個(gè)節(jié)點(diǎn)的運(yùn)行狀態(tài),可以得到以下結(jié)論:

①集群運(yùn)行約8.5 min后,各個(gè)節(jié)點(diǎn)的本地時(shí)鐘相對(duì)于全局時(shí)鐘的誤差維持在±30μs范圍內(nèi);

②集群中各個(gè)節(jié)點(diǎn)運(yùn)行正常,同步算法能夠抑制由于時(shí)鐘晶振穩(wěn)定度不同而導(dǎo)致的各個(gè)節(jié)點(diǎn)工作時(shí)鐘的偏差,從而保證集群的正常運(yùn)行。

結(jié) 語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一種基于Welch-lynch中值增量修正法的同步算法來(lái)保持TTP/C集群的時(shí)鐘同步技術(shù)。在Zynq平臺(tái)上自主設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一種基于時(shí)間觸發(fā)的TTP/ C總線(xiàn)控制器,并搭建了TTP/C總線(xiàn)通信測(cè)試平臺(tái)對(duì)時(shí)鐘同步算法進(jìn)行驗(yàn)證。驗(yàn)證結(jié)果表明,提出的時(shí)鐘同步算法能夠保證TTP/C測(cè)試節(jié)點(diǎn)的同步誤差維持在±30μs,保證各個(gè)節(jié)點(diǎn)在各自時(shí)間槽內(nèi)正常收發(fā)數(shù)據(jù)。

[1]Time-Triggered Protocol TTP/C High-Level Specification Document Protocol Version 1.1,2003.

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陳飛(碩士研究生)、張文豪(碩士),主要從事航空發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真;張?zhí)旌?教授),研究方向?yàn)榍度胧娇刂葡到y(tǒng)、系統(tǒng)控制與仿真。

Three-dimensional Anti-collision System of Quadrotor Based on Ultrasonic Ranging

Chen Genhua,Li Jiaming,Ge Xuwen

(School of Information Engineering,Nanchang Institute of Technology,Nanchang 330099,China)

Aiming at the frequent collisions of the quadrotors,a three-dimensional anti-collision system is proposed,which is based on the ultrasonic ranging.As an indirect range measurement,the ultrasonic ranging system collects three-dimensional ranges between the quadrotor and its surrounding obstacles.Through processing the three-dimensional ranges,the microcontroller controls the hovering signal and the cut-offs of remote signal for autonomous anti-collision of the quadrotor.This system design is validated by the field experiment,which meets the anti-collision requirements.It is light in weight,small in size,high in ranging accuracy,reliable in safety.

quadrotor;ultrasonic ranging;three-dimensional anti-collision system

TP323.3

A

國(guó)家自然科學(xué)青年基金項(xiàng)目(NO.61401187);江西省大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)專(zhuān)項(xiàng)基金項(xiàng)目(NO.201411319026)。

(責(zé)任編輯:薛士然2016-03-22)

(責(zé)任編輯:薛士然2016-04-11)