收稿日期：2023-04-15

基金項目：山東華宇工學院校級科研平臺“智能裝備技術(shù)研發(fā)協(xié)同創(chuàng)新中心”

DOI：10.19850/j.cnki.2096-4706.2023.21.036

摘" 要：基于信標組網(wǎng)的UAV自主定航系統(tǒng)的無人機為解決復雜空間環(huán)境中的自巡航運行問題，以信標與無人機組成通信網(wǎng)絡，無人機通過進行自主航跡規(guī)劃的方式實現(xiàn)無人機的自動飛行。無人機與地面信標結(jié)合，大大減少事故發(fā)生率，靈活性高、技術(shù)門檻低。使用信標確定航線立體定位，航跡確定精度高，應用場景靈活。無人機結(jié)合視覺識別、圖形算法實現(xiàn)控制系統(tǒng)閉環(huán)，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。運用信標和無人機組建通信網(wǎng)絡，讓系統(tǒng)能更好地適應復雜的地形因素和信號因素，拓寬了無人機在農(nóng)林業(yè)作業(yè)的應用范圍，提高了作業(yè)效率，使無人機技術(shù)得到廣泛應用。

關(guān)鍵詞：無人駕駛飛機；自巡航運行；信標

中圖分類號：TP39；V279；V249.3 文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2023）21-0158-04

UAV Autonomous Navigation System Based on Beacon Networking

KONG Jiali， LI Dongxuan， NIU Zeyu

（Shandong Huayu University of Technology， Dezhou" 253034， China）

Abstract： The UAV autonomous navigation system based on beacon networking solves the problem of self cruising operation in complex space environments by forming a communication network between beacon and UAV. The UAV achieves automatic flight through autonomous trajectory planning. The UAV combines with ground beacons， then the accident incidence rate is greatly reduced， with high flexibility and low technical barriers. It uses beacons to determine the three-dimensional positioning of flight routes， and it has high accuracy in determining flight paths and flexible application scenarios. The UAV combines visual recognition and graphic algorithms to achieve a closed-loop control system and improve the system stability. It uses beacons and UAV to establish communication networks， which enables the system to adapt to complex terrain and signal factors better， expands the application range of UAV in agricultural and forestry operations， improves operational efficiency， and enables the widespread application of UAV technology.

Keywords： UAV; self cruising operation; beacon

0" 引" 言

現(xiàn)在的無人機應用環(huán)境下，植保、農(nóng)林等場景下無人機的使用需要專業(yè)的飛手進行遙控來完成工作。國內(nèi)的植保無人機廠家也著力于培訓專業(yè)飛手，與此同時人的控制要素也在無形中提高了無人機應用的成本問題。而操作相對簡單的導航作業(yè)無人機則依靠實時網(wǎng)絡和地面站的支撐，使用靈活性差、技術(shù)門檻高，更適應大規(guī)模平原作業(yè)，較難應對我國多樣化的地形環(huán)境[1]，導致大規(guī)模無人機作業(yè)僅限于東北、新疆地區(qū)。截至2021年，無人機噴灑作業(yè)面積占全國耕地面積比例不足5%。

無人機應用于航拍方向，以大疆為代表的企業(yè)開發(fā)的個人航拍與商業(yè)用航拍平臺技術(shù)已經(jīng)非常成熟，但現(xiàn)階段多用于影片的拍攝與個人愛好方面，在旅游業(yè)方面僅限于宣傳片的拍攝，在旅游業(yè)中沒有有進一步的應用。而觀景用無人機的應用將開發(fā)旅游景區(qū)的新觀景項目，自定航無人機和第一人稱視角觀景的結(jié)合，在航線確定的情況下進行觀賞、游覽，減少檢修難度，通過信標信號確定航跡，保證延既定航道運行。通過航拍鏡頭與VR眼鏡聯(lián)動實現(xiàn)沉浸式觀景。

本文將目光放于智慧興農(nóng)、無人機助農(nóng)方面?，F(xiàn)有的農(nóng)業(yè)無人機需要人員操控來進行噴灑農(nóng)藥等操作，此操作與無人機自主運行相比，不但學習成本高，使用成本也較高。如果使用信標航跡技術(shù)，不但降低學習成本，只需要十幾分鐘的學習，就能使用無人機進行噴灑作業(yè)。減少了遙控器的使用，降低使用成本，同時降低了使用門檻，使技術(shù)得以廣泛應用，提高了作業(yè)效率。運用信標和無人機組建通信網(wǎng)絡，讓系統(tǒng)可以更好地適應復雜的地形因素和信號因素，拓寬了無人機在農(nóng)林業(yè)作業(yè)的應用范圍。

1" 基于信標組網(wǎng)的UAV自主定航系統(tǒng)整體設(shè)計

首先在地面站上建立信標組網(wǎng)，設(shè)置好航點后會以設(shè)定的順序邏輯或者填充邏輯來進行飛行高度和速度的設(shè)置，自主設(shè)計出航線飛行。另外，在無人機飛行控制系統(tǒng)中用不同的通道代表無人機不同的動作或功能，如橫滾（Roll）、俯仰（Pitch）、油門（Throttle）和偏航（Yaw）是第一至第四通道，對應于無人機的左右、前后、上下和轉(zhuǎn)向等動作。利用信標的SR2828Z1 GPS+BDS北斗雙模塊的定位與ZigBee無線串口收發(fā)模塊組網(wǎng)與UAV進行實時通信，無人機本身會對飛行定點與避障進行自主計算[2]?；谛艠私M網(wǎng)的UAV自主定航系統(tǒng)硬件的結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

2" 航線設(shè)置

航線的計算運行邏輯如圖2所示。對于運行邏輯的初步設(shè)想：填充邏輯，通過接受信標的信號，處理器構(gòu)筑以信標為頂點的封閉圖形，并以一定規(guī)律的曲線作為航跡填充封閉圖形。

順序邏輯：對接收到的信號進行遠近排序規(guī)劃。依據(jù)信標順序訂立航跡連接線，并設(shè)定航跡飛行邊界區(qū)，防止偏航。

飛行器將通過圖形算法，空間定位算法與視覺識別相結(jié)合的方式對接受的信標信號與視覺信號進行計算，以求得飛行軌跡，完成飛行任務。

3" 信標設(shè)置

信標部分的基本功能是定位與通信，通過安裝北斗定位模塊，氣壓定高模塊實現(xiàn)空間定位，為系統(tǒng)航跡的確定提供精確的空間數(shù)據(jù)。

信標部分的定位功能將由北斗定位模塊，氣壓定高模塊配合實現(xiàn)。通信功能選用ZigBee藍牙模組進行小型高強度的通信網(wǎng)絡搭建，保證通信的實時性與準確性。如果為高空確定航道設(shè)計的信標型號，則添加風速，風向等傳感器，測量對飛行過程影響較多的干擾量。從而對飛機的飛行姿態(tài)進行進一步的指導。便于飛機進行預前量計算，使飛行器的飛行姿態(tài)更加穩(wěn)定、可靠。

信標根據(jù)使用場景可分為固定式和移動式信標。信標的靈活運用將拓寬本項目的應用場景。以下對固定式信標及移動式信標的應用場景進行概述。

1）固定式信標：旅游業(yè)，快遞業(yè)等需要固定航線的應用場景?？梢允孪扔脴訖C飛行確定航線。在多次飛行收集數(shù)據(jù)確定航線之后，綜合風向，風力，障礙物等多方面因素后，安裝航線沿途信標。固定式新標也可同時兼顧氣象測量、信號轉(zhuǎn)發(fā)等諸多功能。在城市環(huán)境中使用可以利用移動網(wǎng)絡或超寬帶技術(shù)以實現(xiàn)通信功能。使用信標作為標志物為無人機確定航跡提供引導，只需保證航線通暢，無人機就可通過信標或視覺標志物確定航線運行，降低無人機運行風險及運行成本。信標如果采用視覺識別方式，可以僅通過布置視覺標志物的方式來確定航線。

2）移動式信標：移動式信標是為了適應復雜飛行環(huán)境進行靈活運用。研制方向在于輕便性與可靠性。通過臨時布置信標搭建通信網(wǎng)絡，對作業(yè)地塊實時建立數(shù)字模型，確定臨時航線，完成作業(yè)內(nèi)容。主要應用于農(nóng)業(yè)的農(nóng)藥噴灑，林業(yè)的防蟲防治，電力架線等地形復雜、信號條件差的場景。

4" 硬件設(shè)計

4.1" Pixhawk飛控

PX4是一個先進的自動駕駛設(shè)備，它是PX4開放源碼計劃和3DR公司的產(chǎn)品。PIXHAWK的硬件完全是透明的，能夠識別出使用晶體管的類型以及各種外部設(shè)備和總線。同時也為具有開發(fā)實力的使用者帶來便利。PIXHAWK是一款具有兩個處理器的飛控系統(tǒng)，包括一個32bit STM32F427 CortexM4內(nèi)核和一個168 MHz/256 KB RAM/2 MB Flash。因此，即使主機出現(xiàn)故障，也會有一個協(xié)同處理系統(tǒng)來保證系統(tǒng)的運行。

4.2" HC-SR04超聲波模塊

HC-SR04型超聲定位系統(tǒng)具有2 cm至400 cm的無觸點距離感應，測量準確率可達到3 mm；該系統(tǒng)由超聲波發(fā)射機、接收機和控制系統(tǒng)組成。其工作原理：

1）使用IO端口TRIG觸發(fā)式定位，提供高水平的信號，至少10 μs。

2）本系統(tǒng)可實現(xiàn)8條40 kHz的方波的自動探測，并可自動偵測到有無回電。

3）有一個經(jīng)過IO端口ECHO的高電平的信號，該高電平的持續(xù)期間為超聲波從發(fā)出至回歸的時刻，其試驗路程=（高水平時刻*音速（340米/秒））/2。

4.3" ZigBee無線串口收發(fā)模塊

ZigBee也被稱作IEEE802.15.4，旨在達到低功耗、低復雜度和低速率的蜂窩結(jié)構(gòu)；一個具有自主組織性的短距離無線通信網(wǎng)路，它可以實現(xiàn)個體和家庭中的各種裝置的低速率互聯(lián)，并為其提供了一個統(tǒng)一的規(guī)范。通過兩個或更多的模組，利用ZigBee的無線串口發(fā)送和接收組件，可以將ZigBee所能提供的通信區(qū)域無限擴大，各個標準位的功能如表1所示。

4.4" OpenMV視覺模塊

OpenMV是一個開源，低成本，功能強大的機器視覺模塊[3]。使用者們（包括發(fā)明家、愛好者以及智能設(shè)備開發(fā)商）可以用Python語言使用OpenMV提供的機器視覺功能。無人機的初期調(diào)試非常重要，將無人機飛穩(wěn)是精準降落的保證。

5" 軟件設(shè)計

5.1" 軟件設(shè)計流程圖

在無人機巡航飛行過程中由ZigBee無線串口收發(fā)模塊進行的信標順序邏輯或填充邏輯自主設(shè)計路線，UAV本身的超聲波傳感器與OpenMV視覺模塊實時檢測無人機與障礙物之間的距離與實時監(jiān)控畫面?zhèn)魉停敓o人機與障礙物之間的距離小于系統(tǒng)設(shè)置的安全距離時，由STM32控制器首先將無人機飛行模式切換至定點模式，然后由控制器輸出相應通道的PWM信號去控制無人機繞過障礙物。例如，當無人機檢測到前方有障礙物時，此時避障系統(tǒng)會通過STM32控制器將此時對應通道的通道值轉(zhuǎn)化為PWM信號，并且將此時的PWM信號通過數(shù)字I/O端口D9和D10發(fā)送給PPM編碼器的通道2和通道3。從而控制無人機向后上方飛行，直至繞過障礙物[4]。當無人機繞過障礙物之后會將無人機飛行模式切換到巡航模式。整個系統(tǒng)的控制流程圖如圖3所示。

5.2" 自主定航技術(shù)

在確定了飛行器與初始位置之間的偏差距離后，必須對其進行自動返回的控制律進行設(shè)計，以保證其在返回時的穩(wěn)定性，并盡可能地減少可能出現(xiàn)的危險。在原來的手工控制功能中增加了一個條件分支：當SW鍵被調(diào)到時，就會自動切換到人工控制；當SW開關(guān)被拉下后，自動駕駛。在自動定航方式下，通過加速器將控制量輸出到無人機的控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了對飛機橫向運動的方向和速度的控制。在固定模式中，從delta和deltay的正反方向往該象限的45°角進行偏移，直至某一軸線距離誤差小于誤差閾值ds；轉(zhuǎn)變移動方向，往仍存在誤差的另一軸平行移動，直至該軸線距離誤差也小于誤差閾值ds；水平方向懸停，再次計算判斷是否滿足 ，若否，則細微調(diào)整[5]，直至滿足；此時無人機到達起始位置，接著向下降落，從而實現(xiàn)自主返航如圖4所示。

6" 實驗結(jié)果

裝置如圖5所示。裝置的啟動高度大約為2 m，整個動作持續(xù)時間為5 min，按次序推理，從起點開始向前進26 m，然后向左側(cè)移動5 m；向右側(cè)調(diào)0.5 m，直到最終返回地點。在返回的時候，先向右45°前進，直到X / Y / Z軸的偏離消失，再向下開，直到返回的目的地，回航時長約為1.1 min，落點偏差約為0.9 m左右。無人機在整個回航過程運作穩(wěn)定，并能夠按照原先設(shè)定的控制策略順利完成定航任務。

在填充下從起始點出發(fā)朝前行19.5 m，接著無人機開始做蛇形飛行往左行駛1 m，再前進0.5 m，在向右行駛1 m，如此循環(huán)運動，15 min后自檢電池容量后進行線性返航。在返航過程同順序邏輯，定航時長為15 min回航時長約為1 min，落點偏差約為1.5 m左右。無人機在整個定航過程運作穩(wěn)定，并能夠按照自控制策略順利完成定航任務。

7" 結(jié)" 論

無人機隨著科技的進步在生活中的應用越來越普遍。本研究將目光放于智慧興農(nóng)、無人機助農(nóng)，開發(fā)旅游景區(qū)的新觀景項目方面。

通過無人機與地面信標的結(jié)合，大大減少事故發(fā)生率，靈活性高、技術(shù)門檻低。使用信標確定航線立體定位，航跡確定精度高，應用場景靈活。同時，無人機結(jié)合視覺識別、圖形算法實現(xiàn)控制系統(tǒng)閉環(huán)，能夠提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。

參考文獻：

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[5] 鄭珺瑀，林盛鑫，余力.基于里程計與機器視覺的無人機自主返航系統(tǒng) [J].東莞理工學院學報，2021，28（5）：21-24.

作者簡介：孔佳利（1986—），女，漢族，山東濟寧人，副教授，碩士，研究方向：機械設(shè)計及理論。