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        基于超聲波傳感器的無人機(jī)避障技術(shù)研究

        2018-12-28 05:48:42程子龍李鵬展
        科技視界 2018年29期
        關(guān)鍵詞:遙控裝置駕駛儀壁障

        程子龍 李鵬展 劉 佳 ,2

        (1.天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)自動(dòng)化與電氣工程學(xué)院,中國 天津 300000;2.天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)天津市信息傳感與智能控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,中國 天津 300000)

        0 引言

        無人機(jī)近幾年來逐漸出現(xiàn)在大眾的視野中, 從剛開始的保持飛行穩(wěn)定, 再到GPS 以及視覺定位, 以及現(xiàn)在比較火熱的無人機(jī)壁障, 無人機(jī)技術(shù)在飛速的發(fā)展著,本文就以四軸F450 無人機(jī)為例,簡(jiǎn)述無人機(jī)壁障的原理以及實(shí)現(xiàn)方法。

        1 無人機(jī)壁障系統(tǒng)的整體簡(jiǎn)述

        1.1 無人機(jī)運(yùn)行過程及其信號(hào)傳遞

        一架多軸無人機(jī)運(yùn)行時(shí)至少需要兩個(gè)部分, 一是安裝了自動(dòng)駕駛儀的多軸機(jī)體, 包含電機(jī)電調(diào)以及機(jī)架等部分,二是無線遙控裝置,通常來說,無人機(jī)駕駛員在地面使用無線遙控裝置對(duì)無人機(jī)下達(dá)飛行命令,無人機(jī)接受命令后執(zhí)行具體任務(wù), 實(shí)際情況中遙控裝置并非直接和自動(dòng)駕駛儀直接通訊, 而是需要通過接收機(jī)進(jìn)行命令的傳遞, 接收機(jī)需要和遙控器進(jìn)行對(duì)頻, 對(duì)頻成功后安裝在無人機(jī)上, 其輸出端通過信號(hào)線與自動(dòng)駕駛儀的輸入端連接,二者之間使用PWM 信號(hào)傳遞數(shù)據(jù),如圖1 所示:

        圖1 無人機(jī)信號(hào)傳遞過程

        1.2 信號(hào)含義

        由此我們可以了解到無人機(jī)正常工作時(shí)信號(hào)的傳遞過程, 其中接收機(jī)與自動(dòng)駕駛儀之間至少有5 個(gè)命令通道:

        (1)thrust 拉力通道, 用來控制無人機(jī)整體拉力大小。

        (2)yaw 偏航通道,用來控制無人機(jī)機(jī)頭的朝向。

        (3)pitch 俯仰通道, 用來控制無人機(jī)俯仰角的大小。

        (4)roll 橫滾通道, 用來控制無人機(jī)橫滾角大小的通道。

        (5)mode 飛行模式通道,用來設(shè)置飛行模式,一般的自動(dòng)駕駛儀具有自穩(wěn)、定高、定點(diǎn)等功能。

        了解了各通道的作用后我們知道了通過pitch 通道和roll 通道可以控制無人機(jī)的前進(jìn)、后退、左移、右移,那么就可以通過改變這兩個(gè)通道的輸入值來實(shí)現(xiàn)無人機(jī)的壁障動(dòng)作。

        2 壁障模塊的設(shè)計(jì)

        2.1 壁障系統(tǒng)工作原理

        本文以超聲波測(cè)距模塊,ATMEGA2560 單片機(jī)為例, 壁障模塊需要安裝在接收機(jī)和自動(dòng)駕駛儀之間,如圖2 所示:

        圖2 無人機(jī)避障模塊位置示意圖

        即壁障模塊讀取接收機(jī)輸出的pitch 和roll 信號(hào),同時(shí)根據(jù)四面超聲波傳感器所測(cè)得的距離, 將計(jì)算出的pitch 和roll 信號(hào)輸出給自動(dòng)駕駛儀, 實(shí)現(xiàn)無人機(jī)在無人工干預(yù)的情況下實(shí)現(xiàn)自動(dòng)壁障的效果。

        2.2 模塊設(shè)計(jì)要求

        (1)體積和質(zhì)量應(yīng)控制在無人機(jī)可載重范圍內(nèi),否則可能會(huì)影響無人機(jī)的正常飛行以及續(xù)航時(shí)間。

        (2) 信號(hào)的輸入與輸出應(yīng)按信號(hào)特點(diǎn)接入上拉或下拉電阻, 保證模塊運(yùn)行時(shí)的穩(wěn)定性以及防止傳感器未接入時(shí)數(shù)據(jù)出現(xiàn)巨大誤差。

        2.3 模塊工作流程

        由于篇幅所限,本文不在此給出詳細(xì)程序,僅給出模塊工作流程作為參考,具體流程如圖3 所示:

        安全起見, 實(shí)際的設(shè)計(jì)過程中通常會(huì)使用一個(gè)單獨(dú)的通道控制壁障模塊的工作狀態(tài), 當(dāng)工作在壁障模式的時(shí)候,輸出給自動(dòng)駕駛儀的信號(hào)是根據(jù)輸入信號(hào)和傳感器信號(hào)進(jìn)行計(jì)算所得到的,工作在非壁障模式的時(shí)候,輸出信號(hào)即為輸入信號(hào),此時(shí)的無人機(jī)不具有壁障功能,無人機(jī)駕駛員可根據(jù)具體情況決定壁障模塊是否介入飛行系統(tǒng)。

        圖3 模塊工作流程

        3 注意事項(xiàng)

        此系統(tǒng)在實(shí)際使用的時(shí)候需要注意以下幾點(diǎn):

        (1) 超聲波模塊對(duì)于較大體積的障礙物識(shí)別率較高,對(duì)細(xì)小的障礙物,如電線、細(xì)樹枝等識(shí)別率較低,實(shí)際飛行過程中同樣需要無人機(jī)駕駛員認(rèn)真觀察無人機(jī)周圍情況,以免發(fā)生意外。

        (2) 考慮到超聲波傳感器可能在一些復(fù)雜的環(huán)境中出現(xiàn)干擾的情況, 所以每個(gè)傳感器應(yīng)該輪流單獨(dú)工作,不可同時(shí)工作。

        (3)壁障模塊工作在壁障模式時(shí),需要進(jìn)行數(shù)據(jù)的讀取以及計(jì)算等工作, 所以信號(hào)傳輸速度相較于不使用壁障模塊的情況下有幾十毫秒的延遲,對(duì)于F450 等機(jī)型的飛行效果幾乎沒有影響,實(shí)際使用過程中幾乎無法察覺。

        4 總結(jié)

        本文以四軸F450 無人機(jī)為例,研究了無人機(jī)壁障系統(tǒng)的設(shè)計(jì)問題。 首先簡(jiǎn)述了無人機(jī)壁障系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu), 然后研究了壁障系統(tǒng)的工作原理, 壁障模塊的設(shè)計(jì)等問題, 最后提出了實(shí)際中使用該壁障模塊時(shí)的注意事項(xiàng)。

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