王高峰+吳曉龍+倪策+石鐘磊

摘要：針對(duì)小型無人機(jī)在執(zhí)行定高飛行時(shí)，其高度測(cè)量精度易受外界因素影響的問題。本文設(shè)計(jì)了一套小型無人機(jī)機(jī)載兩軸云臺(tái)，采用MPU6050作為云臺(tái)姿態(tài)反饋元件，利用互補(bǔ)濾波算法進(jìn)行姿態(tài)解算，采用直流無刷電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)，從而使得超聲波測(cè)距模塊在無人機(jī)飛行過程中始終保持與地面垂直，消除了由于氣流擾動(dòng)以及無人機(jī)俯仰或橫滾對(duì)測(cè)量值產(chǎn)生的偏差。

關(guān)鍵詞：云臺(tái) 超聲波測(cè)距 姿態(tài)解算

中圖分類號(hào)：TP391.9 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-9416（2016）10-0174-01

定高飛行是無人機(jī)基本飛行模式之一，許多任務(wù)都基于此飛行模式基礎(chǔ)上完成的。傳統(tǒng)方法中超聲波測(cè)距模塊垂直固定于無人機(jī)底部，無人機(jī)在進(jìn)行俯仰或橫滾運(yùn)動(dòng)時(shí)，當(dāng)偏轉(zhuǎn)角度增加到一定程度，會(huì)導(dǎo)致測(cè)量值產(chǎn)生偏差，甚至?xí)霈F(xiàn)無效值。本文采用機(jī)載兩軸云臺(tái)設(shè)計(jì)，使得超聲波測(cè)距模塊在無人機(jī)飛行過程中始終保持與地面垂直，從而大大提高了其高度測(cè)量精度，增強(qiáng)了無人機(jī)定高飛行的穩(wěn)定性。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

整個(gè)系統(tǒng)由主控制器、超聲波測(cè)距模塊、姿態(tài)反饋模塊、執(zhí)行機(jī)構(gòu)四部分組成，系統(tǒng)組成圖如圖1所示。其中主控制器采用的是意法半導(dǎo)體公司的STM32系列芯片；超聲波測(cè)距模塊采用超聲波傳感器進(jìn)行測(cè)距，并將其固定于兩軸云臺(tái)的正下方并保持其探頭垂直向下，以便對(duì)對(duì)地高度進(jìn)行測(cè)量；姿態(tài)反饋元件采用的是MPU6050；執(zhí)行元件采用的是L6234電機(jī)驅(qū)動(dòng)器和無刷電機(jī)組成的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，無人機(jī)云臺(tái)可由俯仰軸控制電機(jī)和橫滾軸控制電機(jī)分別控制云臺(tái)的俯仰和橫滾動(dòng)作；本系統(tǒng)采用3DR數(shù)傳模塊（433MHz）與地面站之間進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。

2 功能模塊

2.1 超聲波測(cè)距

超聲波傳感器發(fā)射端在空氣中發(fā)出速度為的超聲波，當(dāng)其遇到被測(cè)物體時(shí)會(huì)被反射，并由超聲波傳感器接收端接收。當(dāng)溫度變化不大時(shí)默認(rèn)聲速基本不變。超聲波測(cè)距的原理是測(cè)量發(fā)射超聲波和接收到返回超聲波的時(shí)間差，并由時(shí)間差計(jì)算出發(fā)射地點(diǎn)到被測(cè)物體之間的實(shí)際距離，具體測(cè)距公式表示為：

式中為所測(cè)距離的長(zhǎng)度；為超聲波在空氣中的傳播速度；為發(fā)射超聲波和接收到返回超聲波的時(shí)間差的一半。

2.2 姿態(tài)測(cè)量與解算

陀螺儀是一種基于角動(dòng)量守恒理論的角速度傳感器。加速度計(jì)是測(cè)量運(yùn)載體線加速度的儀表。MPU6050包含三軸MEMS加速度計(jì)、三軸MEMS陀螺和一個(gè)可擴(kuò)展的數(shù)字運(yùn)動(dòng)處理器DMP。本系統(tǒng)采用MPU6050來測(cè)量無人機(jī)飛行過程中超聲波傳感器發(fā)射端與地面的夾角。

陀螺儀具有實(shí)時(shí)反饋角速度精度較高、動(dòng)態(tài)響應(yīng)好等優(yōu)點(diǎn)，但通過積分容易產(chǎn)生誤差累積。加速度計(jì)用于姿態(tài)估計(jì)，不會(huì)產(chǎn)生誤差積累，但其動(dòng)態(tài)響應(yīng)較慢。利用二者頻率上的互補(bǔ)特性，采用互補(bǔ)濾波算法對(duì)二者進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，可以將各個(gè)傳感器得到的數(shù)據(jù)充分應(yīng)用。

2.3 云臺(tái)控制

當(dāng)檢測(cè)到當(dāng)前超聲波測(cè)距模塊固定框的姿態(tài)角后，可將其與期望姿態(tài)角進(jìn)行比較，若有擾動(dòng)力矩的作用使得姿態(tài)角大于預(yù)設(shè)的角度時(shí)，就會(huì)通過PID控制器運(yùn)算輸出PWM信號(hào)，利用基于L6234電機(jī)驅(qū)動(dòng)器分別驅(qū)動(dòng)俯仰軸和橫滾軸的無刷電機(jī)逐步并精確地增加或減小轉(zhuǎn)子力矩，從而在各電機(jī)軸輸出反力矩，以補(bǔ)償外界擾動(dòng)力矩，使得無人機(jī)在俯仰或橫滾狀態(tài)時(shí)超聲波測(cè)距模塊始終垂直于地面，從而確保超聲波測(cè)距模塊獲得精確的高度測(cè)量數(shù)據(jù)。

由于對(duì)系統(tǒng)的PID控制參數(shù)調(diào)整較為繁瑣，必須結(jié)束飛行后在地面上才能調(diào)整參數(shù)，因此選用3DR數(shù)傳模塊（433MHz）與地面控制平臺(tái)進(jìn)行遠(yuǎn)程通信，從而使得無人機(jī)在其飛行過程中可實(shí)時(shí)調(diào)整各軸的控制參數(shù)及其定高高度，節(jié)約了調(diào)試時(shí)間。

3 結(jié)語

本文設(shè)計(jì)了一種含有超聲波測(cè)距模塊的小型無人機(jī)兩軸云臺(tái)，研究了利用互補(bǔ)濾波算法將陀螺儀和加速度計(jì)的數(shù)據(jù)進(jìn)行融合解算的方法。并采用PID算法來對(duì)云臺(tái)的姿態(tài)進(jìn)行控制。使得超聲波測(cè)距模塊在無人機(jī)飛行過程中始終保持與地面垂直，從而提高了其高度測(cè)量精度，增強(qiáng)了無人機(jī)定高飛行的穩(wěn)定性。

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收稿日期：2016-09-01

作者簡(jiǎn)介：倪策（1991—），男，陜西咸陽人，在讀碩士研究生，研究方向：信息與通信工程。