李勇慶　潘磊　王琛　戴錚　李燦

摘要：隨著無人機技術(shù)的大力發(fā)展，單架無人機已能完成很多任務(wù)。在執(zhí)行復雜任務(wù)的性能和效率方面多機系統(tǒng)比單機高出許多，為了能夠更好地研究無人機集群控制，本項目從雙無人機系統(tǒng)入手研究無人機的集群控制。在本項目中將設(shè)計兩架四旋翼無人機的跟蹤飛行系統(tǒng)，其中一架四旋翼無人機作為領(lǐng)航，通過二者之間的互相通信，采用協(xié)同控制達到另一架無人機跟蹤領(lǐng)航無人機飛行的目的。

關(guān)鍵詞：四旋翼無人機；跟蹤飛行；協(xié)同控制；集群控制

中圖分類號：V216.8 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2017）04-0190-03

1 引言

四旋翼無人機，是一個簡單的十字形的飛行器，因其操作簡單、實際運用能力強，特別適用于偵察、搜尋、探測等空中作業(yè)，在軍事和民用領(lǐng)域運用廣泛。單機四旋翼無人機目前已經(jīng)發(fā)展得較為完善，但在執(zhí)行復雜任務(wù)的時候總體性能不如多機協(xié)同工作。通過多機協(xié)同控制，四旋翼無人機集群飛行在復雜任務(wù)中作用突出，多機系統(tǒng)的總體性能、效率比單機高。

為探索多無人機協(xié)同工作的理論與實現(xiàn)機理，國外以及開展了大量的相關(guān)研究項目。其中具有代表性的是美國國防部高級研究計劃局（DARPA）牽頭的自治編隊混合主動控制項目（Mixed Initiative Control of Automata-teams，MICA）[1-3]、廣域搜索彈藥項目（Wide Area Search Munitions，WASM）[4-6]和歐洲信息社會技術(shù)計劃（Information Society Technologies，IST）資助的異構(gòu)無人機群實時協(xié)同與控制項目（Real-time Coordination and Control of Multiple Heterogeneous UAVs，COMENTS）[7-10]等。除此之外，一些國外高等院校也開始參與到多無人機編隊以及一致性控制等方面的研究：麻省理工、加州理工等三所高校一起合作完成了分布式協(xié)同控制項目，其中涉及到多無人機路徑規(guī)劃、編隊控制等[11]。

相對于國外，國內(nèi)對多智能體協(xié)同控制的研究比較晚，但也取得了豐碩的成果。比如北京理工大學鄧啟波[12]等人針對復雜的無人機協(xié)同飛行問題，考慮無人機的資源有限性、多任務(wù)間時序約束等，以圖論和組合優(yōu)化理論為主要數(shù)學工具，建立多無人機協(xié)同任務(wù)規(guī)劃問題的數(shù)學模型。哈爾濱工業(yè)大學劉書林[13]等人提出基于超橢圓方程位置約束，利用位置誤差和同步控制算法來實現(xiàn)對四旋翼無人機的編隊控制，并結(jié)合歐拉-拉格朗日動態(tài)方程設(shè)計出控制力拒；西北工業(yè)大學的朱旭[14]等人提出了基于一致性理論的多無人機編隊隊形保持算法，建立了多無人機編隊通信拓撲結(jié)構(gòu)，并基于此提出多無人機集結(jié)、解散以及隊形變換策略。

本文在飛行器集群控制相關(guān)技術(shù)研究以及閱讀相關(guān)理論知識的基礎(chǔ)上，設(shè)計了一個雙無人機協(xié)同控制飛行的方法。

2 四旋翼無人機飛行原理及構(gòu)建

2.1 四旋翼無人機飛行原理

四旋翼無人機通過調(diào)節(jié)四個電機的轉(zhuǎn)速去控制四個旋翼，進而實現(xiàn)升力的變化。根據(jù)四個電機所控制的相對應(yīng)的旋翼產(chǎn)生不同的升力的同時去調(diào)節(jié)四旋翼無人機的飛行姿態(tài)以及高度。由于位于兩條對角線上的電機旋轉(zhuǎn)方向不同，因此當無人機平衡飛行時，陀螺效應(yīng)和空氣動力扭矩效應(yīng)均被抵消。根據(jù)四旋翼無人機上四個電機轉(zhuǎn)速的不同可以完成垂直運動、前后運動以及偏航運動。

2.2 四旋翼無人機硬件電路設(shè)計

2.2.1 四旋翼無人機基礎(chǔ)硬件構(gòu)建

四旋翼無人機的主要硬件部件有：無刷電機，電子調(diào)速器，螺旋槳（兩個正槳，兩個反槳），機架以及飛行控制芯片。四個相同直徑的螺旋槳對稱分布在機體的四個機體支架端。通過飛行控制芯片控制電子調(diào)速器進而控制電機，電機控制對應(yīng)的螺旋槳，達到控制無人機姿勢以及高度的目的。

2.2.2 主控芯片

本設(shè)計采用STM32F103ZET6作為主控芯片，其作用有三。一，控制飛控芯片來調(diào)整四旋翼無人機的飛行姿態(tài)以及位置高度。二，控制GPS定位以及光流傳感器，對兩者采集到的位置信息進行解讀。三，通過UART進行光流傳感器、GPS與單片機間的通信，通過藍牙進行兩臺無人機上的單片機之間的通信。STM32F103ZET6單片機控制PIXHAWK進行四旋翼無人機飛行姿態(tài)及高度位置的調(diào)整，利用GPS與光流傳感器對主機的位置高度進行采集，采集的信息送回STM32F103ZET6單片機。單片機再將主機的位置信息報給從機，控制從機的飛行狀態(tài)，進而達到主機控制從機協(xié)同飛行的目的。主控芯片的工作圖如圖1所示。

2.2.3 飛控芯片

PIXHAWK是一個雙處理器的飛行控制器，擁有32bit ST32F427 CORTEX M4核心，168MHz/256KB RAM 以及2MB Flash處理器，并配備有32bit STM32F103的協(xié)處理器用來保障安全，14路PWM輸出。在飛翼模式中，可以使用飛行備份系統(tǒng)，存儲飛行狀態(tài)等數(shù)據(jù)，進行高速數(shù)據(jù)記錄。PIXHAWK的傳感器16bit陀螺芯片、14bit加速度/磁場芯片以及氣壓芯片，支持數(shù)字差壓傳感器作為空速傳感器。所有的外設(shè)輸出帶有功率保護，所有的輸入帶有靜電保護。綜合考慮下，PIXHAWK飛行控制芯片符合本設(shè)計需要的的硬件條件。

2.2.4 GPS定位

GPS具有全方位、全天候、全時段、高精度的衛(wèi)星導航系統(tǒng)，能為四旋翼無人機提供高精度的三維位置、速度，且抗干擾能力強，適合室內(nèi)外四旋翼無人機的定位導航。

2.2.5 光流傳感定位

光流是一種簡單實用的圖像運動的表達方式，通常定義為一個圖像序列中的圖像亮度模式的表觀運動，這種定義認為光流只表示一種幾何變化。1998年Negahdaripour將光流重新定義為動態(tài)圖像的幾何變化和輻射度變化的全面表示[15]。光流傳感器能對視覺運動進行測量并輸出二維測量值，近年來，使用光流傳感器進行無人機導航和避障一直是個熱點問題。光流傳感器通過IAS以一定速率連續(xù)采集物體表面圖像，再由DSP對所產(chǎn)生的圖像數(shù)字矩陣進行分析。由于相鄰的兩幅圖像總會存在相同的特征，通過對比這些特征點的位置變化信息，便可以判斷出物體表面特征的平均運動，這個分析結(jié)果最終被轉(zhuǎn)換為二維的坐標偏移量，并以像素數(shù)形式存儲在特定的寄存器中，實現(xiàn)對運動物體的檢測。利用光流傳感器，我們可以從光流場中近似得到不能直接得到的運動場。本設(shè)計結(jié)合GPS定位系統(tǒng)與光流傳感器定位，更加精準地獲得四旋翼無人機的位置以及高度信息。

3 四旋翼無人機軟件設(shè)計

3.1 UART通信模塊

UART：通用異步收發(fā)傳輸器，是一種異步收發(fā)傳輸器，可以實現(xiàn)全雙工傳輸和接收。考慮到傳輸效率以及準確度，本設(shè)計采用為八位數(shù)據(jù)位，并設(shè)置奇偶校驗位，以此來校驗數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_性，設(shè)置的波特率為115200字符/秒。UART通信模塊用于GPS、光流傳感器與STM32F103ZET6單片機之間的通信，將GPS、光流傳感器采集到的位置信息傳送給單片機。

3.2 藍牙通信模塊

藍牙無線技術(shù)采用的是一種拓展窄帶信號頻譜的數(shù)字編碼技術(shù)，通過編碼運算增加發(fā)送比特的數(shù)量，擴大帶寬。藍牙使用跳頻方式來拓展頻譜，跳頻擴頻使得帶寬上信號的頻譜密度降低，大大提高系統(tǒng)抗干擾能力，使得數(shù)據(jù)傳輸更加可靠。藍牙采用時分雙工傳輸方案，使用一個天線利用不同的時間間隔發(fā)送和接收信號，且在發(fā)送和接收信息中通過不斷改變傳輸方向來共用一個信道，實現(xiàn)全雙工傳輸。藍牙無線技術(shù)是一種短距離通信系統(tǒng)，能在移動中進行無線連接和通信，支持無線設(shè)備到有線網(wǎng)絡(luò)之間的無線連接，只要連接到局域網(wǎng)的藍牙接入點，就可以實現(xiàn)有線局域網(wǎng)的無線數(shù)據(jù)連接。利用藍牙無線技術(shù)功耗低，支持無線連接和通信的優(yōu)點，雙無人機能夠進行良好的通信，主機將位置信息以及四個電機的速度信息發(fā)送給從機，進而實現(xiàn)從機自主達到飛行動作的目的。

4 無人機協(xié)同控制

雙四旋翼無人機協(xié)同飛行，利用一架主機進行領(lǐng)航飛行，從機進行跟隨飛行，當獲取了主機的位置、方向角以及電機速度，即獲知了主機的飛行狀態(tài)?？刂茝臋C與主機之間的水平距離、方向角以及電機速度便可以達到雙四旋翼無人機的協(xié)同飛行目的。無人機的方向角由四個電機不同的速度而產(chǎn)生，所以將問題進一步簡化成獲取主機的位置以及四個電機的速度。

為了做到雙無人機的距離控制，雙無人機的距離控制如圖2所示，X2、Y2為主機的二維平面坐標位置，X1Y1為從機的二維平面坐標圖，L為主機與從機的絕對位置差。當控制雙四旋翼無人機處于同一飛行水平面時，主機通過GPS、光流傳感器獲取自身的動態(tài)位置信息，將位置信息通過藍牙通信將主機的動態(tài)位置信息實時發(fā)送給從機，從機在接收到主機的動態(tài)位置信息后，在保證絕對位置差L不變的前提下，通過STM32F103ZET6單片機將所獲取的位置信息進行相應(yīng)的更改，操作飛行控制芯片PIXHAWK，將從機的飛行位置進行相應(yīng)的改變，達到雙無人機的距離控制。

為了達到雙無人機的方向角以及電機速度的一致，通過藍牙通信模塊將主機四個電機的速度信息發(fā)送給從機，進而達到雙無人機電機的速度控制。主機四個電機的速度信息一一對應(yīng)于從機的四個電機，掌握了四個電機的速度信息也便掌握了機身的方向角，即飛行姿態(tài)。雙無人機的速度控制如圖3所示。

5 結(jié)語

本文設(shè)計并初步實現(xiàn)了雙無人機跟蹤飛行系統(tǒng)，該系統(tǒng)相比其他的集群控制算法，協(xié)同控制具有原理較簡單，可行性高等特點?？蔀槿蘸笱兄贫酂o人機協(xié)同控制打下一定的基礎(chǔ)。本設(shè)計由無人機基礎(chǔ)構(gòu)造、無人機通信、無人機協(xié)同控制三部分組成。本課題主要進行了如下工作：分析雙四旋翼無人機相互通信方法以及分析無人機定位的方式手段并且分析該多無人機協(xié)同控制的可行性。

綜上所述，本文設(shè)計的雙無人機跟蹤飛行系統(tǒng)，具有可行性強、可靠性的特點，具有實現(xiàn)雙無人機快速響應(yīng)，協(xié)同飛行的的能力，為日后研究發(fā)展多無人機集群控制打下基礎(chǔ)。

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