曹逸凡 張正華 張帥帥 陳韓 徐杰
摘要:由于無人機的自動控制依賴常規(guī)的人工操作,難以提升可靠性和有效的設(shè)備安全保障。提出了基于多傳感器的低成本自動控制系統(tǒng),采用單片機控制連接Pixhawk飛控板,實現(xiàn)無遙控器條件下對無人機的自動控制。控制板將控制信號傳輸至Pixhawk飛控板,在無人遙控的情況下控制無人機行動,并在無指令情況下保障機體安全降落。實驗結(jié)果表明,該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對無人機基本的自動控制,并在工作狀態(tài)中有效保障工作人員及無人機機體的安全。
關(guān)鍵詞:多傳感器;無人機;Pixhawk;自動控制系統(tǒng)
中圖分類號:TP212 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A 文章編號:1008-1739(2019)03-56-3
0 引言
隨著科學(xué)技術(shù)的進步,以智能化的機器人代替人工來完成許多耗費人力的工作已成為當(dāng)今潮。目前,在森林防火、電路巡檢等許多方面已經(jīng)能夠看到無人機的身影,而無人機的用途也隨著時間的推移在快速拓展。森林防火方面,無人機具有高效、安全、便捷等先天優(yōu)勢,能夠抵達(dá)護林人員無法抵達(dá)的山區(qū),快速查看林場情況,便于部署各項措施。電路巡檢方面,無人機能夠輕易抵達(dá)巡檢人員難以抵達(dá)的高處,高效且安全地實現(xiàn)對輸電網(wǎng)絡(luò)的檢測,保證工作人員人身安全,提升巡檢效率。另外,在物流配送、智慧倉儲和空中網(wǎng)關(guān)等諸多民用方面無人機也開始嶄露頭角。無人機在多領(lǐng)域的應(yīng)用已成為未來的發(fā)展趨勢,微型無人機在室內(nèi)的應(yīng)用也已經(jīng)成為重要發(fā)展方向。
無人機的大規(guī)模應(yīng)用勢必造成無人機操作人員短缺,培養(yǎng)一名操作人員需要極高的成本,完全采用人工操作無人機的成本過高。本文構(gòu)建了一種基于多傳感器與高性能低成本的STM3 2F103單片機平臺的自動控制系統(tǒng),其較高的運算速度保證了飛行器工作的流暢性,保證飛行器在空中安全飛行,同時飛行器在初次起飛指令后會預(yù)留一段安全時間,保證用戶有足夠的時間撤出靠近飛行器的危險區(qū)域,防止意外發(fā)生。
1 系統(tǒng)總體設(shè)計
當(dāng)今多種飛控板功能日趨完備,系統(tǒng)采用的Pixhawk更是其中較為先進的飛控,故系統(tǒng)設(shè)計由飛控板基礎(chǔ)功能實現(xiàn)對無人機的基礎(chǔ)控制,選擇STM3 2F103作為系統(tǒng)控制板,在有效控制成本的同時模擬遙控器信號對飛控下達(dá)指令,使無人機能夠脫離遙控器獨立工作,采集板布置傳感器,組成傳感器組,與飛控傳感器采集的數(shù)據(jù)共同反饋至控制板,由控制板模擬遙控器向Pixhawk飛控板發(fā)出指令,控制無人機從起飛到降落全程的自動控制,系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)如圖1所示。
2 系統(tǒng)硬件設(shè)計
2.1 Pixhawk飛控板
Pixhawk是一種較為普及且具備高性能自動駕駛儀,適用于多旋翼飛行器、固定翼飛行器和小車等多種平臺。其前身是APM,但現(xiàn)今APM早已無法滿足愈加復(fù)雜的運算需求。Pixhawk的優(yōu)勢在于它繼承了多線程的編程環(huán)境,新的自動駕駛儀功能及預(yù)設(shè)飛行模式,基于PX4的底層驅(qū)動保障全周期處理。這些選項賦予了無人機進行高自由度飛行的能力。
2.2 基于STM32F103的自動控制板
系統(tǒng)由基于STM32F103的控制板接收傳感器的反饋,對無人機的運動狀態(tài)進行檢測,并模擬遙控器向飛控板發(fā)出指令,由飛控板控制飛行器進行運動。因此最重要的是用STM32模擬遙控器的各種指令的信號,包括起飛、著陸、懸停等基礎(chǔ)操作,及當(dāng)無指令時控制飛行器安全著陸,保障機體安全,減少損失。
待控制板基礎(chǔ)功能構(gòu)筑完成后,可添加更多傳感器,使無人機功能多樣化,能夠執(zhí)行更加復(fù)雜的任務(wù)。STM3 2F103單片機預(yù)留了多種接口,使本系統(tǒng)能夠有更大的拓展性,可搭載其他模塊實現(xiàn)功能的豐富。
2.3 多傳感器模塊設(shè)計
定高模塊主要用于工作的開始,使飛行器在合適的高度展開作業(yè),是飛行器自主工作的基礎(chǔ),其模塊流程如圖2所示。
定高模塊硬件采用bmp085氣壓傳感器來測量大氣壓并將其轉(zhuǎn)為實時海拔高度,將二者相減便得到了無入機距離地面的高度,是無人機常用的傳感器,選擇HC-SR04超聲波傳感器來測量無人機實時高度,將2種傳感器反饋數(shù)據(jù)相結(jié)合,使得無人機的控制更加精確。
3 系統(tǒng)軟件設(shè)計
3.1 控制板操作模塊設(shè)計
通過模擬遙控器信號的方式將飛機的控制權(quán)交由控制板,操控者再以按鍵的方式開始飛行器的工作流程,飛行器收到信號后開始進入啟動流程,3s安全時間之后飛行器自檢并解鎖啟動,保證操作人員有足夠的時間撤離至規(guī)定的安全距離(6m)外,并等待下—步指示,其原理如圖3所示。
控制器部分程序代碼如下:
static void SysCtrl_Update_Act_Find_St(void)
{
NodeShape_t shape_i;
NodeShape_t shape_new=NodeShape_Notlung;
if((FindStartPoint_ms_Left<0)&&(Msg_FMUToCtrl.Pkg.Alt_Sonar>FIND_START_POINT_CM_MIN))
{
FindStartPoint_ms_Lefi=FIND_START_POINT_MS_MAX;
Beep_On0;
}
if((FindStartPoint_ms_Lefi>0) && (NodeShape_Curt!=NodeShape_StartPoint))
{
for(shape_i=NodeShape_Nothing,shape_i {if(NodeShapeProb[shape_i]>0){ NodeShapePtob[shape_i]--; }} 3.2 無人機基本姿態(tài)控制 3.2.1 自動啟動 自動啟動功能是一切功能的基礎(chǔ),可實現(xiàn)操作人員在遠(yuǎn)程對無人機進行解鎖與控制,對無人機自動控制有著重要意義,部分自動啟動程序如下: { static uint32 Hover_Start_Stamp; uint32 Sys_ms_Now; switch(Demo_St_Act) { caseDemo_St_Act_Climb:{ if(SysPID[Alt].PID [Pos].err_abs) &&(SysPID[Alt].PID[Pos].err_abs<10)) { Demo_St Act=Demo_St Act_Stable; Demo_LostInfo.FeatureValid=No; }}break; 3.2.2 自動降落并鎖定 當(dāng)無人機完成所有指示或未明確指令時,系統(tǒng)將控制無人機自動著陸并鎖定,部分自動降落與鎖定代碼如下: {Sys_ms_Now=Sys_ms; if((Sys_ms_Now-Hover_Start_Stamp)>(5*1000)) {Demo_St_Act=Demo_St_Act_Land; Demo_Losthifo.FeatureValid=No; DroneLanding=Yes;}}break; case Demo St Act Land://自動著陸 {if(Get_Height() {Demo_St_Act=Demo_St_Act_Lock; MsgToFMU_Lock=Yes; Demo_LostInfo.FeatureValid=No;}}break; case_Demo_St_Act_Lock://自動鎖定 {}break;} 4 實驗結(jié)果與分析 考慮到系統(tǒng)主要應(yīng)用于小型無人機于室內(nèi)的應(yīng)用,于4m×4m×2m的室內(nèi)實驗場地中進行了多次實驗,測試系統(tǒng)的易用性與穩(wěn)定性。實驗結(jié)果如表1所示。 測試結(jié)果表明系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)飛行器完成既定任務(wù)過程中的全程穩(wěn)定控制,對比其他無人機控制方案及市場上現(xiàn)有的自動控制手段,具有易用性強、成本低等優(yōu)勢,對比人工操作,自動控制的時間更短,穩(wěn)定性更高,且能有效節(jié)約人力成本,但在室外環(huán)境中難以實現(xiàn)有效控制,更適用于室內(nèi)小型無人機的自動控制。系統(tǒng)的最大優(yōu)勢在于對無人機從解鎖到降落鎖定過程中的全程控制,這對于通過無人機實現(xiàn)自動化工作有著重要意義。 5 結(jié)束語 在研究過程中,系統(tǒng)著眼于室內(nèi)自動化流程的需要,將技術(shù)突破重點放在了小型無人機的室內(nèi)全程自動化控制,與以往人工控制無人機并切換自動模式不同,系統(tǒng)可以在全程自主控制的情況下讓無人機完成簡單的自動工作流程,結(jié)合實驗數(shù)據(jù)可以看出,系統(tǒng)運行穩(wěn)定,能夠基本實現(xiàn)無人機的自動控制。但出于傳感器精度等不足,室外光線、風(fēng)力和氣壓等因素更加復(fù)雜等多種原因,系統(tǒng)在室外工作效果并不理想,今后的研究將從改進傳感器組人手,努力解決無人機的室外自動工作問題,實現(xiàn)無人機的全天候自動化。