多無人機搜尋有源目標模擬實驗控制系統的研究

童 金，李恒宇，羅 均，謝少榮

TONG Jin, LI Heng-yu, LUO Jun, XIE Shao-rong

（上海大學 機電工程與自動化學院，上海 200072）

0 引言

無人機(UAV， unmanned air vehicles)具備能夠在危險，復雜的未知區域環境執行相關任務，在軍用及民用上廣泛的應用前景[1,2]。同時，多無人機協同執行任務及相關研究逐漸成為無人機研究的一種趨勢[3～5]。

無人機的空中優勢，能夠適用于快速對地面目標的搜尋定位。而測向交叉定位系統具有全方位、能夠快速較遠、在受到干擾的情況下仍能正常工作等優點。在目標測向交叉定位方面，目前國內外主要的研究集中在實現多個傳感器的合理布局以提高定位精度問題[1,4]。多無人機協同控制方面，目前國內外研究主要集中在編隊控制，多機協同任務和路徑規劃[2,6]。在上述研究基礎上，我們提出采用基于提高定位精度的導航算法來實現無人機的搜尋算法的研究，具體研究集中在導航算法采用地上無人機器人上實現。為了驗證所提出搜尋方法的合理性，基于兩個自主行進機器人，設計開發了一套模擬搜尋控制系統，并進行了相關實驗。

1 多機搜尋有源目標的原理

多無人機搜尋主要基于無人飛行機器人自主飛行基礎上，通過導航控制飛行機器人，尋找目標并予以定位[3,5]。為了能夠模擬空中飛行搜尋目實驗，本文將無人機搜尋系統簡化。假設無人機執行搜尋任務時飛行高度可以忽略，將三維的搜尋定位系統轉化為二維平面搜尋定位系統。假設測量角度誤差是零均值的高斯白噪聲，具體如圖1所示，無人機A與無人機B在不同位置對目標T進行定位。

圖1 多無人機搜尋目標示意簡圖

其中目標定位誤差區域為[8]：

本文所提出的搜尋定位過程，主要分為全局搜索、逼近目標和定位目標三個階段：

全局目標搜尋階段，首先無人機在通訊范圍的允許下，與搜尋邊界及友機之間拉開最大距離，最大化搜尋區域；其次，無人機盡可能直線飛行來減小轉向所帶來的能量額外損耗，增加執行任務時間；同時，無人機盡可能小的搜尋整個系統已經搜尋過的區域。各個無人機在搜尋同時不斷計算下一個搜尋點，對飛機進行導航。一旦有目標信號出現，立刻進入第二階段。

逼近目標階段，當接收到目標產生的信號，測向設備向機器人系統反饋測向信號。同時機器人等待接收友機發出的測向數據，結合收集到的數據采用交叉定位原理對目標進行定位[3]；基于目標定位誤差區域最小化來導航機器人，同時以最小的轉向半徑飛向最后目標估計位置。

無人機逼近的導航代價函數如下：

其中d1為飛機到最近的友機的距離，d2為飛機到估算目標位置，Φ為飛機的轉彎半徑，P為飛機的轉彎需要的離散點數量。

定位目標：當無人機收到友機發出目標測向相關數據之后，這時候定位系統進入協調定位階段。通過前面提到的交叉定位及卡爾曼濾波理論來對多路測向數據進行融合，對目標信號位置進行最優估計，并計算定位精度[2,7]。同時，通過機器人的無線通訊設備將目標定位相關數據發送回地面控制系統。

圖2 搜尋系統的模擬實驗平臺

2 實驗平臺設計

2.1 試驗系統的硬件組成部分

地面實驗平臺如圖2所示，主要由具備自主行進能力的機器人（兩輛），信號發生器，測向設備，通訊設備，地面控制系統組成。

該實驗系統的硬件結構如圖3所示。

圖3 試驗系統硬件結構圖

2.1.1 MCU

機器人系統，要求其易擴展其他硬件設備,同時具備較強的處理能力來實現復雜的算法。因此采用基于工業PC架構的開放式機器人，該機器人處理器是AMD3000+，集成Windows XP操作系統和VC開發環境，最大化的使用硬件軟件資源，同時易于獲取廣泛的驅動支持。

2.1.2 運動控制模塊

系統的運動控制器是完全基于PC架構的開放式控制器。用戶可以通過運動控制卡（基于TMS320 F2812 DSP的控制卡）實時控制機器人運動和實時獲取編碼器的數據。利用實時獲取的編碼器數據可以進行精確的PID運動控制算法對運動進行反饋控制。由于采用了USB接口，用戶可以方便的擴展出多軸運動控制。通過MCU給DSP運動板卡發出指令，能精確的控制機器人行走。

2.1.3 避障模塊

由于機器人搜尋區域環境的未知不確定性，同時為了機器人系統相互能夠更好的執行任務，我們給機器人加裝了避障模塊，在本文實驗是通過加裝聲納模塊與PSD(Position Sensitive Detector)模塊。聲納測距模塊，來測定機器人周圍障礙物距離（前，左，右），聲納的探測距離是41cm到7m，測量精度是+/-5%，測量頻率是20Hz。配備的PSD模塊來實現80cm內障礙測量，PSD測量范圍是10-80cm，測量精度是+/-8%，測量頻率是100HZ。

2.1.4 通訊模塊

多無人機之間相互協調工作的前提就是通過建立一個通訊組網，能夠實現機器人之間，機器人與基地之間，實時，大數據量的數據交互。通過給系統機器人及基地各加裝XStream-PKG系列的無線數據傳輸模塊，900MHz,具備最遠32km的傳輸距離，通過配置可以給多機器人組建立一個通訊組網數據鏈，實現多機器人之間的相互通訊。

2.1.5 導航模塊

搜尋系統通過算法修改機器人航向，機器人實時狀態數據消息則通過GPS及電子羅盤，編碼器獲取。GPS模塊，采用GARMIN的12通道GPS,差分模式下具備小于5m的定位精度。通過串口向機器人系統發出GPS數據。電子羅盤，使用的是Honeywell的HMR3000，通過RS232串口通信，向機器人輸出航向，航向精度0.5°，分辨率為0.1°。機器人系統運動狀態可以通過運動控制模塊從編碼器獲得，多路狀態數據，在本實驗中，采用卡爾曼濾波方法對機器人運動數據進行融合。

2.1.6 測向模塊

在具備自主導航行進能力機器人上，為了能夠使機器人系統進行搜尋定位目標，我們給機器人加裝了測向裝置。機器人能夠對有源目標發出的信號進行方向測量，來用于機器人對目標進行逐步定位，從而也不斷給予機器人搜尋導航。測向裝置的測向誤差是+/-1°，由于實驗區域范圍我們假定在范圍之內進行，因此低精度的測向設備完全滿足我們實驗定位精度要求。

2.1.7 地面控制模塊

地面控制模塊（基地系統）通過安裝無線數據鏈，與機器建立通訊組網，實時監控并接收機器人發回來的數據，供系統進行決策。同時系統通過通訊組網向機器人發出任務執行及其它命令，供機器人執行。

2.2 實驗系統的軟件系統

由于機器人系統是基于PC機平臺來實現運動控制及與外設的數據處理，我們通過VC++來實現相關控制算法代碼的編寫。系統軟件流程圖如圖4所示。

圖4 搜尋系統的軟件圖

通過上面的流程圖，我們采用VC6.0進行相關控制軟件編寫。通過串口讀取測向設備目標方向數據及測向誤差。在搜尋系統初始化后，機器人等待基地系統發出指令，開始搜尋目標。在搜尋目標同時，機器人等待基地系統發出結束任務指令，實現機器人回收任務。在搜尋到目標之后，通過與友機器人進行通訊得到友機的測向數據，通過UKF最優估計理論進行數據融合計算出目標[3]，然后通過無線傳輸數據鏈傳輸模塊將數據發送給基地系統。

3 實驗結果及其分析

考慮到無人機器人的實驗過程的航程較短（一般小于50m），為了簡便，此時可以把小范圍的地球看作平面，故本項目選擇當地水平坐標系XOY（也稱東北天坐標系）作為導航坐標系，并取其原點為無人機器人起始點，X軸為正東方向，Y軸為正北方向，Z軸向天，坐標軸的單位均為米。已知地球赤道圈長為40075.36千米和地球子午線長為39940.67千米，設起始點在WGS-84坐標系中的值為（λ0，?0），則WGS-84坐標系到XOY坐標系的轉換公式為：

在實驗中為了保持實驗穩定性，把自主行進機器人速度控制在0.1m/s，通過在坐標系的建立運動函數，數據處理周期間隔是0.01秒，通過采集數據，不斷記錄自主行進機器人行進的軌跡。

首先將基地系統位置經坐標系轉化為坐標起始位置。同時初始化給定目標（運動或靜止）起始位置，自主行進機器人處于待命令階段，打開目標信號源發送目標信號；同時，將兩機器人放出，在我們定義的系統坐標系里面，UV1在（0，35）位置，航向135，速度0.5m/s，UV2起始（30，0）航向315，速度0.5m/s，打開信號源靜止目標在位置（25，25）發出信號。

當機器人搜尋到目標信號后，通過無線數據鏈傳傳輸到地面控制系統。根據采集得到數據，我們利用Matlab 來描繪搜尋軌跡，得到機器人搜尋軌跡圖如圖5所示。

圖5 機器人搜尋軌跡圖

在地面模擬試驗中，當機器人接收到目標信號后，通過與友機進行相互通訊，對目標位置進行定位，同時依據產生最小誤差，機器人開始逐漸改變自己航向，不斷逼近目標。這一過程都完成的比較好，從圖5可以看出，在不同位置，一旦接收到目標信號，機器人便開始更正航向，按照我們設定的搜尋算法對目標的定位與逼近，同時不斷的對目標進行了定位。實驗結果表明該控制系統的可適用性以及實驗平臺和控制算法的有效性。

4 結論

隨著無人機研究的日趨深入，多無人機協調控制是目前研究的一個熱點問題。本文提出基于提高定位精度的導航算法來實現無人機對有源目標的搜尋，并基于兩個自主行進機器人的實驗平臺，設計開發了一套模擬搜尋控制系統，并進行實驗驗證以及誤差分析。實驗結果表明該控制系統的可適用性以及實驗平臺和控制算法的有效性。

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