摘" 要：隨著科技不斷進(jìn)步，無(wú)人機(jī)得到飛速發(fā)展和廣泛應(yīng)用，無(wú)人機(jī)具有驅(qū)動(dòng)簡(jiǎn)單和適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，但是其飛行安全仍有待進(jìn)一步探討研究。該文利用對(duì)射式超聲波傳感器實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)的目標(biāo)跟蹤算法，基于超聲波傳感器的指向性，調(diào)整超聲波傳感器之間的安裝方式以擴(kuò)大對(duì)目標(biāo)的檢測(cè)范圍，同時(shí)設(shè)計(jì)目標(biāo)跟蹤算法，搭建跟蹤算法實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證平臺(tái)。利用反演法的思想設(shè)計(jì)無(wú)人機(jī)的軌跡跟蹤控制算法，并利用李雅普諾夫函數(shù)證明整個(gè)系統(tǒng)的全局穩(wěn)定性。最后，通過(guò)數(shù)值仿真與實(shí)驗(yàn)的方法利用無(wú)人機(jī)對(duì)圓形軌跡和直線軌跡進(jìn)行跟蹤，驗(yàn)證算法的有效性和穩(wěn)定性。

關(guān)鍵詞：無(wú)人機(jī);飛行安全探測(cè);超聲波傳感器;軌跡跟蹤;反演法

中圖分類(lèi)號(hào)：V279" " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " " " 文章編號(hào)：2095-2945（2023）18-0141-04

Abstract： With the continuous progress of science and technology， UAV has been rapidly developed and widely used. UAV has the advantages of simple drive and strong adaptability， but its flight safety still needs further discussion and research. In this paper， the target tracking algorithm of UAV is realized by using the shooting ultrasonic sensor. Based on the directivity of the ultrasonic sensor， the installation mode between the ultrasonic sensors is adjusted to expand the target detection range. At the same time， the target tracking algorithm is designed and the tracking algorithm experimental verification platform is built. The trajectory tracking control algorithm of UAV is designed by using the idea of inversion method， and the global stability of the whole system is proved by Lyapunov function. Finally， the circular trajectory and straight line trajectory are tracked by UAV through numerical simulation and experiments to verify the effectiveness and stability of the algorithm.

Keywords： UAV; flight safety detection; ultrasonic sensor; trajectory tracking; inversion method

隨著無(wú)人機(jī)的民用化、對(duì)軍民融合的倡導(dǎo)與發(fā)展，無(wú)人直升機(jī)因具有高機(jī)動(dòng)性、可垂直起落、懸停等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于軍事、農(nóng)業(yè)、民用等領(lǐng)域。在農(nóng)業(yè)植保方面，因無(wú)人直升機(jī)相對(duì)于多旋翼?yè)碛欣m(xù)航時(shí)間久、負(fù)載大的優(yōu)點(diǎn)被更加廣泛的應(yīng)用。利用無(wú)人直升機(jī)噴灑農(nóng)藥和對(duì)農(nóng)作物生長(zhǎng)狀態(tài)進(jìn)行整體觀測(cè)時(shí)，由于應(yīng)用場(chǎng)合復(fù)雜、飛行任務(wù)多變，對(duì)其可靠性有較高的要求，因此保障無(wú)人直升機(jī)的飛行安全有非常重要的意義。

1" 飛行安全探測(cè)硬件設(shè)計(jì)

1.1" 超聲波測(cè)距技術(shù)

無(wú)人直升機(jī)在飛行過(guò)程中的感知與避障功能的實(shí)現(xiàn)依賴(lài)于高可靠性的傳感器系統(tǒng)，而超聲波系統(tǒng)靈敏度高、穿透性強(qiáng)，能夠在夜間和黑暗環(huán)境中使用，測(cè)量精度較高，根據(jù)無(wú)人直升機(jī)實(shí)際飛行過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題，對(duì)飛行安全探測(cè)系統(tǒng)的硬件及軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)進(jìn)行性能驗(yàn)證。

1.1.1" 超聲波測(cè)距原理

超聲波測(cè)距原理主要包括相位差檢測(cè)法、多頻測(cè)距法、渡越時(shí)間檢測(cè)法。相位差檢測(cè)法測(cè)距精度高[1-2]，但實(shí)現(xiàn)方法復(fù)雜;多頻測(cè)距法對(duì)硬件要求較高[3];渡越時(shí)間檢測(cè)法的原理是通過(guò)檢測(cè)從超聲波發(fā)射到接收回波的時(shí)間來(lái)計(jì)算距離[4-5]，原理簡(jiǎn)單，對(duì)系統(tǒng)硬件要求較低，適用于實(shí)時(shí)性要求較高的場(chǎng)合，是目前大多數(shù)超聲波傳感器的工作原理。本文采用渡越時(shí)間檢測(cè)法對(duì)距離進(jìn)行探測(cè)，原理式如式（1）所示

s=， （1）

式中：s為超聲波測(cè)得距離，m;v為超聲波的傳播速度，m/s;t為時(shí)間，s。

1.1.2" 超聲測(cè)距數(shù)據(jù)預(yù)處理與概率模型

無(wú)人直升機(jī)平臺(tái)在建立周?chē)h(huán)境時(shí)，傳感器讀取的數(shù)據(jù)極易受周?chē)h(huán)境干擾，經(jīng)常會(huì)引入一些偏差較大的錯(cuò)誤數(shù)據(jù)，使得環(huán)境地圖的建立精確度下降?；谏鲜鲈?，需要對(duì)超聲波測(cè)距技術(shù)進(jìn)行預(yù)處理，去除錯(cuò)誤數(shù)據(jù)。具體措施如下。

1）設(shè)定閾值范圍Rmin～Rmax。

2）去除連續(xù)數(shù)據(jù)中的跳變數(shù)據(jù)。

3）超聲波傳感器組間數(shù)據(jù)互擾處理。

超聲波讀數(shù)時(shí)，由于波束角大、角分辨率低，會(huì)導(dǎo)致無(wú)人直升機(jī)與障礙物的相對(duì)位置具有不確定性?？刹捎贸暩怕誓Ｐ徒档驼系K物相對(duì)位置的不確定性。

1.1.3" 超聲波實(shí)物與應(yīng)用

本文采用HC-SR04和SRF02兩種超聲波傳感器模塊進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，得到不同距離下的測(cè)距數(shù)據(jù)。HC-SR04模塊的成本低，測(cè)距的盲區(qū)也只有30 mm，然而穩(wěn)定性和精度較SRF02模塊低;SRF02模塊測(cè)距穩(wěn)定，精度高，但分辨率為厘米級(jí)。因此，可選用以SRF02模塊為主，HC-SR04模塊為輔的形式進(jìn)行障礙物定位。

1.2" 視覺(jué)避障技術(shù)

1.2.1" 雙目攝像頭

在無(wú)人直升機(jī)執(zhí)行農(nóng)保任務(wù)的飛行過(guò)程中需要及時(shí)反應(yīng)，避免與障礙物發(fā)生碰撞[6]，因此不僅需要較快的處理速度與較遠(yuǎn)的探測(cè)距離，同時(shí)還需要較輕的質(zhì)量與相對(duì)合適的尺寸，并適應(yīng)系統(tǒng)在PC端統(tǒng)一處理數(shù)據(jù)的需求。如圖1所示。

雙目立體相機(jī)[6]是通過(guò)傳感器同步獲取雙目圖像并在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行深度計(jì)算，擁有高分辨率與較遠(yuǎn)的檢測(cè)距離的同時(shí)適用于飛行區(qū)安全探測(cè)系統(tǒng)在PC端處理數(shù)據(jù)的要求。

1.2.2" 雙目立體相機(jī)性能參數(shù)

可以捕捉高分辨率和高幀率的3D視頻，20 m的室內(nèi)和室外的深度感知距離和6自由度的位置跟蹤是雙目立體相機(jī)的主要特征。雙目立體相機(jī)捕捉的視頻的基本模式與速度見(jiàn)表1。

雙目立體相機(jī)的每個(gè)傳感器都有4 M像素的分辨率，可對(duì)相機(jī)的分辨率、幀率、曝光、亮度、對(duì)比度和飽和度等進(jìn)行設(shè)置。雙目立體相機(jī)的幾何參數(shù)與連接方式見(jiàn)表2。

1.3" 飛行安全探測(cè)硬件測(cè)試

檢測(cè)平臺(tái)需要保證功能的實(shí)現(xiàn)并與直升機(jī)主飛控隔離，避免干擾主飛控。故對(duì)于設(shè)備的可靠性與安全性要求較高，先對(duì)所設(shè)計(jì)系統(tǒng)的采集板與傳感器進(jìn)行測(cè)試。

系統(tǒng)硬件組成后需要對(duì)傳感器進(jìn)行測(cè)試與標(biāo)定，以確保測(cè)量的準(zhǔn)確性。視覺(jué)傳感器采用棋盤(pán)格的方法進(jìn)行標(biāo)定，而溫度、轉(zhuǎn)速等傳感器和采集板采用實(shí)驗(yàn)對(duì)比的方法進(jìn)行標(biāo)定。

1）雙目立體視覺(jué)標(biāo)定。雙目立體視覺(jué)相機(jī)的標(biāo)定選用棋盤(pán)格法，使用標(biāo)準(zhǔn)的棋盤(pán)格圖片，以不同位置不同角度拍攝多張圖片，對(duì)每張圖片提取角點(diǎn)，為了提高標(biāo)定精度，降低相機(jī)的標(biāo)定偏差，在提取的角點(diǎn)上進(jìn)一步提取亞像素角點(diǎn)信息，將偏差控制在0.5個(gè)像素之內(nèi)。獲得棋盤(pán)標(biāo)定圖的內(nèi)角點(diǎn)坐標(biāo)后，對(duì)棋盤(pán)的空間坐標(biāo)系進(jìn)行初始化，生成相機(jī)的內(nèi)參矩陣和畸變系數(shù)。最后利用棋盤(pán)格對(duì)標(biāo)定結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。

2）傳感器與采集板標(biāo)定。為了使測(cè)量結(jié)果更加準(zhǔn)確，需要設(shè)置地面站軟件的標(biāo)定系數(shù)。以開(kāi)發(fā)板進(jìn)行傳感器標(biāo)定參數(shù)測(cè)試，從而確定需要設(shè)置的標(biāo)定系數(shù)[7]。標(biāo)定實(shí)驗(yàn)的設(shè)備連接圖如圖2所示。

先將通過(guò)系統(tǒng)測(cè)得的溫度與實(shí)際測(cè)量溫度進(jìn)行對(duì)比，進(jìn)行傳感器的測(cè)試。再將傳感器分別與開(kāi)發(fā)板和采集板連接后從地面站軟件讀取的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，對(duì)采集板進(jìn)行測(cè)試。

利用雙目立體相機(jī)標(biāo)定經(jīng)過(guò)初步的測(cè)試，傳感器和采集板的性能基本穩(wěn)定，可滿足設(shè)計(jì)要求，功能基本實(shí)現(xiàn)。

2" 飛行安全探測(cè)軟件設(shè)計(jì)

2.1" 通信協(xié)議

信息采集部分基于CAN總線進(jìn)行模塊間串行級(jí)聯(lián)，并通過(guò)CAN總線接收上位機(jī)指令，來(lái)執(zhí)行數(shù)據(jù)采集程序，并返回測(cè)得的數(shù)據(jù)。

2.2" 地面站系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本文采用自主研制的某型號(hào)無(wú)人直升機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行研究，其系統(tǒng)主要包括無(wú)人直升機(jī)機(jī)體系統(tǒng)、任務(wù)載荷系統(tǒng)、地面站系統(tǒng)、遙控接收系統(tǒng)和通信系統(tǒng)等。圖3展示了該型號(hào)無(wú)人直升機(jī)的系統(tǒng)構(gòu)成與工作原理。

2.2.1" 地面站系統(tǒng)介紹

地面站系統(tǒng)分為飛行控制與信息收集2部分，由飛行控制系統(tǒng)控制無(wú)人直升機(jī)的飛行，由信息收集部分采集無(wú)人直升機(jī)相關(guān)參數(shù)監(jiān)測(cè)無(wú)人直升機(jī)的飛行狀態(tài)。

2.2.2" 無(wú)人直升機(jī)機(jī)載信息采集系統(tǒng)地面站任務(wù)

無(wú)人直升機(jī)機(jī)載信息采集系統(tǒng)地面站需實(shí)現(xiàn)顯示與存儲(chǔ)功能，通過(guò)點(diǎn)擊地面站采集按扭控制設(shè)備開(kāi)始顯示與存儲(chǔ)所測(cè)數(shù)據(jù)。

2.3" 地面站搭建

地面站搭建主要依靠Visual Studio軟件，通過(guò)MFC（Microsoft Foundation Classes）程序設(shè)計(jì)繪制窗口界面，給每個(gè)按鍵賦值，實(shí)現(xiàn)開(kāi)啟采集、保存記錄等功能。MFC有著清晰的類(lèi)層次結(jié)構(gòu)、操作簡(jiǎn)單、完成的程序資源占用較少等優(yōu)點(diǎn)，是一種面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計(jì)。

2.3.1" 串口庫(kù)設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集其實(shí)是對(duì)串口庫(kù)進(jìn)行多線程調(diào)用。通過(guò)串口程序可以實(shí)現(xiàn)讀取、查詢、調(diào)用當(dāng)前采集的電氣狀態(tài)，包括采集板采集的油量、溫度、轉(zhuǎn)速等數(shù)據(jù)。

2.3.2" 視覺(jué)感知信息處理

無(wú)人直升機(jī)系統(tǒng)采集地面站上加入視覺(jué)感知部分回傳的圖像信息，以確定無(wú)人直升機(jī)前方障礙物的形狀、距離等信息。雙目立體相機(jī)的內(nèi)外參數(shù)結(jié)果見(jiàn)表3。

利用SIFT特征提取特征點(diǎn)，提取后通過(guò)Ratio Test方法對(duì)匹配結(jié)果進(jìn)行誤匹配的排除，得到匹配點(diǎn)的坐標(biāo)，通過(guò)findEssentialMat（）函數(shù)求取本征矩陣，分解后得到R、T變換矩陣，最后利用OpenCV的三角化函數(shù)進(jìn)行重建。其中Ratio Test方法利用KNN算法找到與之最匹配的2個(gè)特征，若2個(gè)特征的匹配距離之比小于設(shè)定閾值，則認(rèn)為匹配正確，否則視為誤匹配。

3" 飛行安全探測(cè)系統(tǒng)測(cè)試

3.1" 系統(tǒng)標(biāo)定

將傳感器與開(kāi)發(fā)板連接后從地面站軟件讀取數(shù)據(jù)，與實(shí)際數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，進(jìn)行標(biāo)定實(shí)驗(yàn)。將溫度傳感器測(cè)得的溫度與溫度計(jì)對(duì)比，確定標(biāo)定系數(shù)。

由于油量傳感器自身分為5檔的原因，采用分級(jí)標(biāo)定的方式進(jìn)行油量傳感器的標(biāo)定，將油量傳感器放入滿油量20 L的油箱中，記錄阻值，隨著油量的減少，每減少4 L為一個(gè)等級(jí)，記錄阻值，確定標(biāo)定系數(shù)。將轉(zhuǎn)速傳感器連接至發(fā)動(dòng)機(jī)上，將測(cè)得的數(shù)據(jù)與FUTABA遙控器顯示的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，確定速度調(diào)節(jié)系數(shù)（周期系數(shù)與分頻系數(shù)）。標(biāo)定系數(shù)見(jiàn)表4。

軟硬件結(jié)合標(biāo)定的最大好處就是在傳感器需要更換時(shí)，無(wú)須將系統(tǒng)整個(gè)卸下，僅需要拆卸需要更換的傳感器，更換后通過(guò)軟件進(jìn)行修正補(bǔ)償即可。省去了后期煩瑣的修繕工作。

3.2" 采集系統(tǒng)測(cè)試

檢測(cè)平臺(tái)需要保證功能的實(shí)現(xiàn)并與無(wú)人直升機(jī)主飛控隔離，避免干擾主飛控。故對(duì)于設(shè)備的可靠性與安全性要求較高。

經(jīng)過(guò)初期階段的摸索，并發(fā)現(xiàn)大量問(wèn)題之后，意識(shí)到需要制作出適合本項(xiàng)目使用的多接口、多芯片的采集板，所以對(duì)實(shí)驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行了升級(jí)，去掉了之前煩瑣的設(shè)備，取而代之的是自主制作的帶有減振設(shè)施與電源隔離的主控板。較之初期的實(shí)驗(yàn)設(shè)備，現(xiàn)階段的設(shè)備主要有以下方面的優(yōu)勢(shì)：

1）可同時(shí)將多組傳感器數(shù)據(jù)回傳至地面站中進(jìn)行顯示與記錄;

2）安裝時(shí)增加了減振墊，使無(wú)人直升機(jī)在飛行過(guò)程中采集板不會(huì)因振動(dòng)過(guò)大而發(fā)生破壞;

3）設(shè)計(jì)的采集板增設(shè)了電源隔離與電磁屏蔽，在采集板電源不干涉直升機(jī)主控電源的同時(shí)保證了傳輸信號(hào)的準(zhǔn)確性。

4" 結(jié)論

本文搭建了農(nóng)用無(wú)人直升機(jī)飛行安全探測(cè)系統(tǒng)，對(duì)農(nóng)用無(wú)人直升機(jī)飛行安全探測(cè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性與準(zhǔn)確性進(jìn)行了測(cè)試，驗(yàn)證了系統(tǒng)的性能?；诹黧w擾動(dòng)的航路規(guī)劃，并將其與無(wú)人直升機(jī)的飛行性能融合，制定了避障策略;以超聲波測(cè)距作為預(yù)警，保證直升機(jī)不與障礙物發(fā)生碰撞，保障了直升機(jī)可以安全飛行。但由于超聲波傳感器存在一定的指向性與互擾性，無(wú)法實(shí)現(xiàn)四周探測(cè)，后續(xù)將依靠視覺(jué)系統(tǒng)優(yōu)化無(wú)人直升機(jī)的四周安全。

參考文獻(xiàn)：

[1] 沈夢(mèng)婷.基于相位檢測(cè)的高精度異體收發(fā)式超聲波測(cè)距系統(tǒng)[D].天津：天津大學(xué)，2014.

[2] 苑潔.基于STM32單片機(jī)的高精度超聲波測(cè)距系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[D].北京：華北電力大學(xué)（北京），2012.

[3] 田偉.無(wú)人作戰(zhàn)飛機(jī)航路規(guī)劃研究[D].西安：西北工業(yè)大學(xué)，2007：15-26.

[4] 王麗娜.基于小波變換高精度在線超聲波測(cè)距技術(shù)研究[D].長(zhǎng)春：長(zhǎng)春理工大學(xué)，2009.

[5] 夏繼強(qiáng)，鄭昆，鄭健峰，等.基于STM32的收發(fā)一體式超聲波測(cè)距系統(tǒng)[J].儀表技術(shù)與傳感器，2014（8）：43-45，52.

[6] 張博翰，蔡志浩，王英勛.電動(dòng)VTOL飛行器雙目立體視覺(jué)導(dǎo)航方法[J].北京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào)，2011，37（7）：882-887.

[7] 任佳，高曉光，張艷.移動(dòng)威脅情況下的無(wú)人機(jī)路徑規(guī)劃[J].控制理論與應(yīng)用，2010，27（5）：641-647.