四旋翼無人機自主降落系統(tǒng),航天工程論文

四旋翼無人機自主降落系統(tǒng),航天工程論文內(nèi)容摘要：針對當前四旋翼無人機自主降落精度較低，降落偏差較大的問題，設計了一種基于視覺定位的四旋翼無人機自主降落系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠有效減少四旋翼無人機自主降落時所產(chǎn)生的偏差。該系統(tǒng)以STM32單片機和樹莓派為系統(tǒng)核心，通過機身所帶的傳感器對飛行時的數(shù)據(jù)進行收集。系統(tǒng)會利用偏差值調(diào)整四旋翼的姿態(tài)與位置，最終完成四旋翼無人機的自主降落。此方案有效的提高了四旋翼無人機自主降落時的精度。本文關鍵詞語：STM32單片機;樹莓派;四旋翼;自主降落;Abstract：InviewoftheproblemsoflowautonomouslandingaccuracyandlargelandingdeviationofthecurrentquadrotorUAV,aquad-rotorUAVautonomouslandingsystembasedonvisualpositioningisdesigned.ThesystemcaneffectivelyreducethedeviationcausedbytheautonomouslandingofthequadrotorUAV.ThesystemtakesSTM32single-chipmicrocomputerandRaspberryPiasthecoreofthesystem,andobtainsthereal-timedataofthesystemthroughthemountedsensors.Therelativepositionaldeviationofthemachineandthevisualsign.Thesystemwillusethedeviationvaluetoadjusttheattitudeandpositionofthequad-rotor,andfinallycompletetheautonomouslandingofthequad-rotorUAV.ThissolutioneffectivelyimprovestheaccuracyofthequadrotorUAVwhenitisautonomouslylanding.Keyword：STM32MCU;RaspberryPi;quadcopter;autonomouslanding;近年來，隨著計算機技術的飛速發(fā)展，旋翼無人機行業(yè)也獲得了飛速的發(fā)展，逐步應用在多個行業(yè)之中，如航拍、農(nóng)業(yè)植保、電力巡檢、影視拍攝、災后搜救等[1,2]。旋翼無人機能夠輕松的做到一些人們不容易做到的事情，合理地運用旋翼無人機能夠提高勞動生產(chǎn)率，降低人們的勞動強度。隨著旋翼無人機應用領域的增加，旋翼無人機自主降落精度較低的問題也逐步暴露出來[3]。在經(jīng)典的無人機控制系統(tǒng)中，降落時是以GPS為基礎對無人機的位置進行定位，但由于GPS信號會遭到本身精度以及信號強度的影響，系統(tǒng)降落時只能降落到以標定點為圓心，半徑為一米左右的圓內(nèi)，在很多場景中這些偏差都無法忽視，甚至會成為無人機降落的重大隱患。提高旋翼無人機自主降落的降落精度能夠保障旋翼無人機的安全回收和循環(huán)作業(yè)，同時也讓旋翼無人機在降落環(huán)境嚴苛的場合中能夠得以應用[4]。主要研究了四旋翼無人機自主降落的問題。針對以上問題，設計了一種以STM32單片機和樹莓派為核心的四旋翼無人機自主降落系統(tǒng)。全文主要包括四旋翼無人機構造及原理、系統(tǒng)硬件設計和系統(tǒng)軟件設計3部分。1四旋翼無人機構造及原理1.1四旋翼無人機構造四旋翼無人機一般有十字型和X字型2種構造[5]。華而不實，十字型無人機的機頭方向與無人機某條機臂的方向一樣，X型無人機的機頭方向朝向兩條機臂的中線方向一樣[6]。本設計將以X型無人機為實驗平臺進行測試實驗。圖1四旋翼構造示意圖X型無人機構造示意圖見圖1，采用正反轉電機以及正反槳葉的設計來解決四旋翼無人機的陀螺效應。不同對角線上的電機旋轉方向相反，且根據(jù)電機旋轉方向，槳葉分為正反槳[7]。華而不實電機0、2為順時針旋轉，槳葉為正槳，電機1、3為逆時針旋轉，槳葉為反槳。以此保證四旋翼無人機能夠平穩(wěn)飛行。1.2四旋翼無人機控制原理四旋翼無人機的基本運動方式可分為俯仰、翻滾、偏航、垂直、橫向5種[8]，通過控制4個電機的轉速，能夠對四旋翼無人機的姿態(tài)和運動軌跡進行控制。1.2.1俯仰運動提高〔降低〕電機0、3的轉速，同時降低〔提高〕電機1、2的轉速，能夠改變無人機的俯仰姿態(tài)。1.2.2翻滾運動提高〔降低〕電機0、1的轉速，同時降低〔提高〕電機2、3的轉速，能夠改變無人機的翻滾姿態(tài)。1.2.3偏航運動提高〔降低〕電機0、2的轉速，同時降低〔提高〕電機1、3的轉速，可順時針〔逆時針〕調(diào)整四旋翼無人機的偏航姿態(tài)。1.2.4垂直運動四旋翼無人機的上升或者下降運動取決于4個槳的升力和與機身重力的關系。因而，同時增大或減小四個電機的轉速，能夠讓無人機進行垂直運動。1.2.5橫向運動四旋翼無人機的橫向運動是通過對姿態(tài)的改變來實現(xiàn)的。因而，通過控制無人機的姿態(tài)角角度可實現(xiàn)橫向運動。2系統(tǒng)硬件設計2.1硬件系統(tǒng)構造本系統(tǒng)采用STM32處理器和樹莓派作為系統(tǒng)整體的控制核心，機載攝像頭與樹莓派相連接，激光傳感器和姿態(tài)傳感器與STM32相連接，STM32發(fā)出的控制信號通過控制電路對電機轉速進行調(diào)節(jié)?？刂葡到y(tǒng)構造見圖2。系統(tǒng)通過姿態(tài)傳感器、激光傳感器和機載攝像頭測出系統(tǒng)的姿態(tài)、高度和位置，并將數(shù)據(jù)傳入STM32中，控制器根據(jù)測量的數(shù)據(jù)和期望的姿態(tài)、位置數(shù)值計算出電機的控制信號，并根據(jù)控制信號，調(diào)節(jié)四個電機的轉速，進而調(diào)整系統(tǒng)姿態(tài)、位置的目的。除此之外，通過樹莓派向STM32發(fā)送控制命令能夠控制系統(tǒng)的啟動停止，并且能夠將系統(tǒng)的數(shù)據(jù)可視化。2.2核心控制模塊系統(tǒng)的核心控制器是由STM32單片機、樹莓派和控制底板組成，控制底板將單片機和樹莓派連接起來，并提供所需要的I/O引腳。核心控制器部分見圖3。圖2控制系統(tǒng)構造圖3核心控制器2.3姿態(tài)傳感器模塊JY901是一個姿態(tài)傾角傳感器模塊，能夠實時測量芯片的狀態(tài)。模塊將測量好的姿態(tài)角提供應單片機，單片機根據(jù)所測量的實際角度改變系統(tǒng)四個旋翼的轉速，進而使系統(tǒng)穩(wěn)定。2.4激光傳感器模塊采用TFmini激光傳感器測量四旋翼系統(tǒng)的實際高度。系統(tǒng)接收到激光傳感器測量的實際高度后會將實際高度與系統(tǒng)設定的期望高度相比擬，再根據(jù)二者的差值來改變電機轉速，到達調(diào)整系統(tǒng)高度的目的。2.5攝像頭模塊系統(tǒng)采用IMX415機載攝像頭尋找目的標志，根據(jù)目的標志在攝像頭視野中的位置確定系統(tǒng)與目的標志的相對偏差，系統(tǒng)根據(jù)所測量到的偏差值實時調(diào)整機身的位置，到達提高降落精度的目的。3系統(tǒng)軟件設計系統(tǒng)軟件程序部分主要包括系統(tǒng)飛行控制、自主降落策略和人機交互3部分。下面對這3部分進行具體介紹。圖4飛行控制流程3.1飛行控制程序四旋翼無人機在正常飛行時，需要時刻調(diào)整系統(tǒng)的姿態(tài)角〔即俯仰角、翻滾角和偏航角〕、系統(tǒng)高度和系統(tǒng)水平位置[9,10]。首先需要時刻保證系統(tǒng)的姿態(tài)角平穩(wěn)，在姿態(tài)角穩(wěn)定的前提下對系統(tǒng)的高度進行調(diào)整，使系統(tǒng)穩(wěn)定在期望高度，待高度穩(wěn)定后，再對系統(tǒng)的橫向位置進行控制，讓系統(tǒng)能夠在期望高度進行橫向移動。飛行控制流程見圖4。3.2自主降落策略系統(tǒng)的降落需要使用機載攝像頭對目的標志進行捕捉，捕捉到目的標志之后計算系統(tǒng)與目的標志的相對偏差，同時調(diào)整系統(tǒng)本身位置，當系統(tǒng)調(diào)整到與目的標志的偏差值在允許范圍之內(nèi)時進行降落并實時判定能否需要調(diào)整機身位置。機載攝像頭辨別目的標志見圖5。圖5機載攝像頭辨別目的標志圖6系統(tǒng)自主降落流程無人機在到達指定降落地點時會巡航飛行并開場捕捉目的標志，捕捉到目的后會調(diào)整無人機位置并進行降落，在降落經(jīng)過中實時對集體位置進行調(diào)整，在降落到指定高度后結束飛行。系統(tǒng)自主降落流程見圖6。3.3人機交互系統(tǒng)中的人機交互部分以樹莓派為核心，使用Qt軟件編寫操作界面，在操作界面上實現(xiàn)手動啟停、數(shù)據(jù)監(jiān)測、數(shù)據(jù)記錄和參數(shù)調(diào)整的功能，方便操作人員把握系統(tǒng)的實時狀態(tài)。4結論在四旋翼無人機逐步應用于各個領域的大環(huán)境下，需要更精準、可靠的自主降落系統(tǒng)，以便提高四旋翼無人機在使用時的可靠性和安全性。本設計以STM32單片機和樹莓派為核心，提出了一種自主降落系統(tǒng)。通過樹莓派與地面站能夠實現(xiàn)遠程控制。系統(tǒng)中STM32單片機留有預留接口，方便后續(xù)增加額外功能。該系統(tǒng)性能穩(wěn)定、成本較低、操作簡便，能夠有效的增加四旋翼無人機的使用效率，有重要的經(jīng)濟意義和現(xiàn)實意義。以下為參考文獻[1]孟學斌,齊詠生,李永亭等.基于視覺的四旋翼無人機自主降落算法研究[J].控制工程,2020,27(10):1751-1759.[2]博文，劉興東.基于四旋翼無人機的輸電線路巡檢實時自主跟蹤系統(tǒng)設計[J].電氣開關，2021,59(6):16-19.[3]李睿康黃奇?zhèn)?，馮輝,等.崎嶇地表上的旋翼無人機自主安全降落系統(tǒng)[J].機器人,2020,42(4):416-426.[4]曾振華,鄭匯峰祝玉杰,等.多旋翼無人機自主精準降落的控制系統(tǒng)研究[J].廣東工業(yè)大學學報,2020,37(1):87-94.[5]丁電寬,趙晨浩，賈天光.基于STM32的四旋翼無人機控制系統(tǒng)設計[J]當代電子技術,2021,44(19):113-118.[6]宗意凱,曾憲陽,施子凡，等.基于STM32單片機四旋翼無人機自主飛行設計[J].電子技術,2021,47(6):84-87.[7]許奇.四旋翼無人飛控系