栗乾瀚 李澤陽 李路昌

【摘要】在無人機進(jìn)行編隊飛行時，在領(lǐng)航-跟隨的編隊策略下，針對如何進(jìn)行長機僚機之間的定位問題提出了超聲波定位的解決方案。在建立的模型當(dāng)中，進(jìn)行了定位計算?？梢允篃o人機在編隊飛行當(dāng)中以固定隊形飛行。

【關(guān)鍵詞】無人機;編隊飛行;超聲波定位

引言：四旋翼無人機是一種新型飛行器，從結(jié)構(gòu)上來說，它是一種四軸給旋翼提供動力的飛行器。四旋翼飛行器的工作原理是飛行時調(diào)節(jié)電機旋轉(zhuǎn)速度，帶動槳葉轉(zhuǎn)動，產(chǎn)生豎直向上的升力，使飛行器能夠在空中處于一個平穩(wěn)的飛行狀態(tài)。相比于固定翼無人機來講，四旋翼無人機有機械結(jié)構(gòu)簡單，飛行靈活，適合空中懸停和體積小等特點。相比單架無人機，多無人機編隊更易于完成復(fù)雜任務(wù)，提高了容錯率，使得編隊飛行控制成為現(xiàn)下研究熱門課題。使用超聲波模塊進(jìn)行定位獲得的數(shù)據(jù)精度較高，可達(dá)到厘米級，且結(jié)構(gòu)簡單。無論是在容錯率高還是在續(xù)航，檢修，控制等方面都有較大的優(yōu)勢。

1、編隊策略

1.1 編隊形式。飛行器的編隊飛行就是兩架及以上的四軸飛行器從任意的初始位置按照事先預(yù)定好的隊形進(jìn)行飛行，并且在飛行的過程中在各個飛行器之間的距離和高度保持初始的飛行狀態(tài)。無人機的編隊控制有多種方法，主要的控制方法有領(lǐng)航-跟隨法，虛擬結(jié)果法，基于行為的方法?，F(xiàn)在存在多種編隊形式，但由于無人機搭載芯片的性能限制和無人機在空中飛行時所實時采集的姿態(tài)、位置等多種數(shù)據(jù)，為防止運算速度低下，實時運動改變不及時。采用地面基站—長機—僚機編隊策略。即地面基站為機隊提供飛行數(shù)據(jù)，目標(biāo)坐標(biāo)。長機為機隊中的參照物，僚機檢測自身位置，核對目標(biāo)點，并進(jìn)行自身的姿態(tài)調(diào)整。

1.2 長機僚機結(jié)構(gòu)模型。在編隊過程中，長機根據(jù)預(yù)先預(yù)定的航跡飛行，僚機的編隊則是主要控制距離的控制過程。在水平面上，輸出的指令信號都是關(guān)于速度和方向上的，通過反饋水平面雙機的距離信息來實現(xiàn)跟蹤距離控制的功能，在垂直面上，僚機根據(jù)高度的測量值來實現(xiàn)高度的控制。

2、定位方法

2.1應(yīng)用測距原理。由于編隊性質(zhì)，采用單向一對一測距法。單向測距法中由應(yīng)答器和主測距器組成，主測距器放置在被測物體上，在處理器的指令信號的作用下向位置固定的應(yīng)答器發(fā)射同頻率的無線電信號，應(yīng)答器在收到無線電信號后同時向主測距器發(fā)射超聲波信號，得到主測距器與各個應(yīng)答器之間的距離。單向測距可以實現(xiàn)兩點測距，當(dāng)同時有三個或三個以上不在同一直線上的應(yīng)答器做出回應(yīng)時，就可以計算出被測物體所在的位置。在相同的測量距離下，反射式測距法空氣對超聲波吸收較單向測距法大，因此反射式測距范圍較單向式測距范圍小。若以測得距離，根據(jù)算法便可得到待測物體的位置，實現(xiàn)定位。這樣就能實現(xiàn)一對多的控制。

2.2 領(lǐng)航機的定位。采用目視定位法，既人為控制領(lǐng)航機的位置和運動軌跡，使得機隊能夠以領(lǐng)航機為參考系進(jìn)行編隊飛行動作。從單對多轉(zhuǎn)變成單對單的控制極大降低了控制成本，將更多的控制運算壓力轉(zhuǎn)移到各個跟隨機上，減少了地面控制臺的負(fù)擔(dān)。

2.3 跟隨機的定位

采用多點定位法，既在領(lǐng)航機上安裝位置不同的四個超聲波定位裝置，跟隨機上安裝兩個位置不同的超聲波定位裝置。根據(jù)不同傳感器之間測得的距離參數(shù)，就能算出跟隨機相對于領(lǐng)航機的空間位置參數(shù)。再將測得相對坐標(biāo)和編隊預(yù)定編隊坐標(biāo)比對，得出需要的飛行軌跡，再配合無人機姿態(tài)控制實時刷新糾正，保證編隊穩(wěn)定性和可靠性。

3、模擬仿真與結(jié)論推導(dǎo)

3.1 領(lǐng)航機參考系的建立

在無人機領(lǐng)航機上安裝四個超聲波測距模塊，分別位于四個臂上，其距離機體臂橫剖面中心均為200mm。兩兩一組分別位于機臂上下兩側(cè)，其分布方式如圖所示。將其命名為ABCD。以機體臂為基準(zhǔn)面，機體臂橫剖面中心點為原點建立坐標(biāo)系，就可以得到四個點的坐標(biāo)A（-200，0，100） B（0，-200，-100） C（0，200，-100） D（200，0，100）。

3.2跟隨機的坐標(biāo)的確定

相比于領(lǐng)航機的超聲波模塊的安裝方式，跟隨機只需保留AC兩個位置的模塊即可，記作EF。通過E模塊和F模塊分別于ABCD進(jìn)行測距運算即可實時得出本機的相對位置和飛行方向。

設(shè)EF在相對坐標(biāo)系中的位置為E（x1，y1，z1）F（x2，y2，z2）解得：

E點：

F點同理。

姿態(tài)控制：

根據(jù)給定坐標(biāo)和即時坐標(biāo)，計算出在偏航，俯仰，橫滾三個方向所需角度α，結(jié)合飛控調(diào)整姿態(tài)，以達(dá)到自動跟蹤的目的。

4總結(jié)

目前研究的成果如下：

超聲波的距離測量工作：

通過時間差定位，計時從超聲波發(fā)射超聲波開始，遇到障礙物時反射超聲波，接收器接收到立即停止計時，從開始到結(jié)束的時間差是波傳播的時間。障礙物和超聲波發(fā)射器之間的距離根據(jù)超聲波在空氣中的傳播速度和時間來確定。超聲波在空氣中的傳播速度受到溫度的影響較大，在計算過程中需要對溫度的影響進(jìn)行考慮。溫度和速度的計算公式可以近似看作：

其中c為超聲波在空氣中的傳播速度，一般取值為340m/s， t為發(fā)射和接收超聲波的時間差。

協(xié)同飛行的工作模擬：

這次采用的是長機-僚機的模式，即地面基站為機隊提供飛行數(shù)據(jù)、目標(biāo)坐標(biāo)。長機為機隊中的參照物，僚機檢測自身位置，核對目標(biāo)點，并進(jìn)行自身的姿態(tài)調(diào)整。運用超聲波測距的原理，通過空間直角坐標(biāo)系的建立，在理論上確定四旋翼無人機編隊的定位控制方法。根據(jù)領(lǐng)航機和跟隨機上不同傳感器之間測得的距離參數(shù)，計算出跟隨機相對于領(lǐng)航機的空間位置參數(shù)，與預(yù)定空間坐標(biāo)進(jìn)行對比，從而達(dá)到對無人機編隊的調(diào)整和控制。

參考文獻(xiàn)：

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基金項目：中國民航大學(xué)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目（項目名稱：多旋翼無人機編隊動態(tài)飛行，項目編號：IEYCAUC2019223）。

作者簡介：栗乾瀚（1999-），男，本科在讀，研究方向：飛行器動力工程。李澤陽（1999-），男，本科在讀，研究方向：飛行器動力工程。李路昌（1999-），男，本科在讀，研究方向：飛行器制造工程。