基于AVR通用多旋翼避障系統的設計

2016-07-01 09:59:21作者彭華廈易鑫湖南工業大學電氣與信息工程學院基金項目地方高校國家級大學生創新創業訓練計劃項目項目編號201511535004

電子制作 2016年9期

作者 / 彭華廈、易鑫，湖南工業大學電氣與信息工程學院基金項目：地方高校國家級大學生創新創業訓練計劃項目項目編號：201511535004

基于AVR通用多旋翼避障系統的設計

作者 / 彭華廈、易鑫，湖南工業大學電氣與信息工程學院
基金項目：地方高校國家級大學生創新創業訓練計劃項目項目編號：201511535004

提出一種基于AVR芯片的多旋翼通用避障系統設計方法和具體實現方案。避障系統采用ATMEGA2560-16AU芯片作為主控制器，通過I/O中斷方式讀取遙控信號，保證了控制階段與避障階段的實時性。文中介紹了系統硬件規劃，并給出多旋翼避障的程序設計流程，通過實驗證明，通用避障系統性能優良，為多旋翼自主飛行提供了一個可靠的思路。

多旋翼無人機；自主避障；系統設計；超聲波

引言

隨著科技進步和低空領域的開放，多旋翼無人機將會在軍事與民用領域具備廣泛的運用前景。近年來，國內外各大研究機構都對多旋翼無人機展開了研究，多旋翼無人機得到了迅速的發展。多旋翼無人機可用于軍事治安、環境監控、災害勘察等領域。但由于應用環境復雜，因而實現多旋翼飛行中自主避障具備重要意義。然而在多旋翼無人機避障過程中要涉及到無人機飛行器環境感知，控制信號讀取，控制信號輸出等相關控制運算，因此對控制器提出了一定的要求。

現有的多旋翼無人機避障系統多基于STM32與飛行控制系統耦合為一個整體，對于此類多旋翼避障系統其控制周期內需要完成數據采集、數據處理、控制運算、控制輸出，極高的運算負載在一定程度上影響了系統的可靠性［1］。本文通過設計一種通用多旋翼避障系統，針對性的解決了這種問題。系統采用了一片ATMEGA2560-16AU芯片作為主控制器，與飛行控制器隔離開來，單獨處理避障程序，同時控制飛控，完成多旋翼無人機的避障過程。

1. 系統結構

■1.1 系統設計

通用多旋翼無人機避障系統較為簡明，系統需要三大模塊：測距模塊、單片機模塊、電源模塊。為達到多旋翼避障無人機的避障要求，同時還需要進行一定的避障算法編寫。

為滿足以上自主避障系統要求，避障系統的硬件部分就要進行一定的篩選，若要得到很好的避障效果，控制器的反應速度，測距響應時間都是極為重要的考慮因素，為了實現較為良好的避障效果，本文選用了高性能的AVR單片機芯片，實時性較強的超聲波測距傳感器，以及供電模塊。系統結構圖如圖1所示。

圖1 系統結構圖

■1.2 硬件選型

主控芯片：主控芯片選用了ATMEGA2560-16AU芯片作為主控制器，ATMEGA2560-16AU作為8位AVR處理器，具有16MHz的運行速度，56路數字I/O接口，其中14路PWM接口，16 路模擬輸入接口，4 路 UART 接口，6 路外部中斷，4 路串口通信，4 路 SPI 通信接口，支持I2C 通信，串口通信，SPI 通信，有3.3V 和5V 兩種電源接口，適用于大量I/O接口設計和 PWM 需求［2］。

超聲波測距模塊：選用了HC-SR04超聲波測距模塊，HC-SR04具有優秀的測距性能（2cm-450cm），精度為0.2cm，自動標定與障礙物的距離，無需人工干預。模塊采用TRIG I/O口觸發測距，AVR觸發測距前發送2μs低電平，再發送10μs高電平，超聲波模塊發送8個40kHz的方波，有信號返回時則通過ECHO I/O輸出一個高電平，電平持續時間即為超聲波的往返時間。高電平持續時間除以58即可測得多旋翼與障礙物的距離。

電源模塊：在本電源方案中采用LM317集成穩壓芯片的方案，LM317是固定集成穩壓器芯片，對外圍電路進行一定的改進設計，可以達到大范圍的輸出電壓調整，不僅能滿足一般小功率設備對直流電源的要求，還能滿足教學上各種綜合實驗的需要，是各類電子技術及相關專業開展綜合整機線路設計的理想器件之一［3］。

2. 系統軟件的實現

本系統基于AVR編寫軟件平臺進行開發，采用C語言進行編程實現，主要分為遙控接收機信號讀取、超聲波測距、避障算法的三部分軟件設計。其總體流程圖如圖2所示。

■2.1 接收機信號讀取

主控芯片對接收機信號的讀取實時性要求較高，故采用了中斷方式讀取接收機信號的方式，這種方式減少了主控芯片的運算量，提高了實時性。信號讀取流程圖如圖3所示。

■2.2 超聲波測距

超聲波測距部分為保持實時性采用了輪詢模式，保證了實時獲取環境數據。其測距流程如圖4所示。

圖2 系統流程圖

圖3 信號讀取流程圖

圖4 超聲波測距流程圖

■2.3 避障算法

多旋翼完成避障過程中避障算法顯得較為重要，采用合理的避障算法能有效的提升整套系統的質量。

在控制系統工程中通常采用比例積分微分控制算法（PID）PID調節在各控制工程中應用廣泛，具有較為完善的調節器功能，通常較為穩定可靠，但本系統作為通用多旋翼避障系統，多旋翼無人機飛控系統本身就具有PID控制算法，因此在本系統中并不適用。應選用較為調節迅速，簡單穩定可靠的調節算法。在多旋翼避障系統中追求反應迅速，避免出現滯待現象，故采用了控制工程中較為常用的比例調節（P）算法。即多旋翼避障系統控制輸出信號C（t）能成規律地反應環境參數ε。即：

C（t）=I（t）±（Kp×ε）

其中I（t）為輸入參數，kp為比例系數。公式中正負符號由避障方向決定。

等量帶入避障系統算法中即：

Outpwm=Inpwm±（Kp×ual）（1）

其中：ual=Kd-d（2）

其中Kd為設定避障觸發值，d為當前與障礙物的距離。依據公式（1）、（2）可推導得出避障算法公式為：

Outpwm=Inpwm±（Kp-d）×Kp

推導公式后只需給定其避障反應值Kd，與比例定值Kp即可。

依據公式給定多旋翼飛行軌跡向前，設Onpwm=1600，給定避障響應距離Kd=130cm，變量為與障礙物距離d，比例定值Kp為4進行分析。分析圖如圖5所示。

由分析可知，該控制規律簡單有效，可用于通用多旋翼避障系統當中。避障子程序流程圖如圖6所示。