基于UWB技術(shù)的四旋翼飛行器自主懸停實(shí)驗(yàn)研究

王超+呂強(qiáng)+孫俊峰

摘要：在概述UWB技術(shù)測(cè)距原理的基礎(chǔ)上，從硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)兩個(gè)方面闡述了四旋翼飛行器的設(shè)計(jì)思路，介紹了四旋翼飛行器自主懸停實(shí)驗(yàn)的過(guò)程，并對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了分析，為四旋翼飛行器在軍事領(lǐng)域的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

Abstract： Based on summarizing the ranging principle of UWB， the design thought of four rotorcraft is introduced from hardware system and software system， and process of the four rotorcraft autonomous hover experiment is explained， the experimental results are analyzed. The experiment lays the foundation of the military application of four rotorcraft.

關(guān)鍵詞：UWB；四旋翼飛行器；自主懸停

Key words： UWB；four rotorcraft；autonomous hover

中圖分類號(hào)：V475.4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-4311（2017）34-0114-030 引言

四旋翼飛行器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單緊湊，單位體積提供升力較大，能夠垂直起飛、降落和懸停，并可全向運(yùn)動(dòng)，不受轉(zhuǎn)彎半徑的限制，飛起來(lái)機(jī)動(dòng)靈活，操作性強(qiáng)，其在軍事領(lǐng)域的應(yīng)用十分廣泛，例如截取情報(bào)，偵查、監(jiān)視地面信息和衛(wèi)星通信，搜索與救援等。四旋翼飛行器不僅適用于空曠的室外低空環(huán)境，也適用于室內(nèi)、高樓聳立的市區(qū)及森林等復(fù)雜環(huán)境。但是由于無(wú)線信號(hào)屏蔽或者干擾的影響，很難收到GPS等衛(wèi)星信號(hào)，因此在復(fù)雜環(huán)境下的四旋翼飛行器研究成為新的研究方向。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的飛速發(fā)展，為解決復(fù)雜環(huán)境下的四旋翼飛行器定位問(wèn)題提供了良好思路，尤其是UWB超寬帶技術(shù)能夠很好地解決復(fù)雜環(huán)境下四旋翼飛行器難以收到GPS信號(hào)的問(wèn)題[1]。因此基于UWB技術(shù)，本文開(kāi)展四旋翼飛行器自主懸停實(shí)驗(yàn)研究，為其在軍事領(lǐng)域中的運(yùn)用奠定基礎(chǔ)。

1 UWB技術(shù)測(cè)距定位原理

UWB（Ultra Wide Band）作為一種新興的無(wú)線載波通信技術(shù)，數(shù)據(jù)輸送采用納秒級(jí)非正弦、瞬時(shí)短脈沖，非常適合在近距離完成高速無(wú)線通信。按照美國(guó)FCC的定義，UWB信號(hào)指的是總帶寬大于等于500MHz或者相對(duì)帶寬大于20%的信號(hào)。UWB測(cè)距定位方法有多種，本文采用到達(dá)時(shí)間法（TOA）[2]。

TOA法原理很簡(jiǎn)單，就是已知電磁波在空間傳播的速度，再根據(jù)信號(hào)在兩節(jié)點(diǎn)間往返時(shí)間，即可測(cè)得兩節(jié)點(diǎn)之間的距離。在系統(tǒng)同步誤差比較大時(shí)，通過(guò)測(cè)量往返時(shí)間來(lái)估算距離；如果系統(tǒng)處理時(shí)延極短，兩節(jié)點(diǎn)間同步匹配程度很高，則只需要計(jì)算到達(dá)時(shí)間，進(jìn)行單程測(cè)量就可以測(cè)得距離。考慮技術(shù)水平的緣故，本文采用雙程測(cè)量，即通過(guò)計(jì)算信號(hào)往返時(shí)間計(jì)算節(jié)點(diǎn)距離。具體過(guò)程如下：首先未知節(jié)點(diǎn)發(fā)出射頻信號(hào)，參照節(jié)點(diǎn)一旦接收到信號(hào)后，就會(huì)送出響應(yīng)訊號(hào)，根據(jù)未知節(jié)點(diǎn)發(fā)射和接收訊號(hào)的時(shí)間，推算出其與參照節(jié)點(diǎn)的距離，數(shù)學(xué)原理就是三邊測(cè)量法或者多邊測(cè)量法。基本數(shù)學(xué)原理如圖1所示。

根據(jù)圖1，得到距離d的計(jì)算公式：

d=[（T3-T0）-（T2-T1）]*V/2

其中v為射頻信號(hào)的傳播速度。

2 四旋翼飛行器硬件系統(tǒng)與軟件系統(tǒng)

2.1 硬件系統(tǒng) 四旋翼飛行器由四個(gè)旋翼、四個(gè)電機(jī)、一個(gè)十字機(jī)架、控制板和鋰電池等部分構(gòu)成。其核心部件包括[3]：①主控芯片：主控芯片STM32F405，用于實(shí)現(xiàn)PID算法，接收控制指令控制電機(jī)轉(zhuǎn)速，并輸出、檢測(cè)各傳感器數(shù)據(jù)等；主控芯片nRF51822，主要用來(lái)處理無(wú)線通信。②IMU傳感器模塊：IMU傳感器模塊用來(lái)感知加速度和角速度，數(shù)字運(yùn)動(dòng)處理器在收到數(shù)據(jù)后經(jīng)過(guò)運(yùn)算能夠得到四旋翼飛行器的飛行姿態(tài)，IMU傳感器模塊在姿態(tài)控制方面具有重要作用。③UWB定位模塊：UWB定位模塊用來(lái)給四旋翼飛行器定位測(cè)距，本文采用DW1000芯片，它是一款基于UWB技術(shù)的無(wú)線收發(fā)芯片，定位精度在10厘米以內(nèi)，最高傳輸速率達(dá)6.8M/s，最遠(yuǎn)接受距離可達(dá)300米，抗干擾能力強(qiáng)，能夠有效減緩信號(hào)衰減，功耗低。④無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸模塊：無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸模塊用于實(shí)現(xiàn)電腦與四旋翼飛行器之間的通信連接，本文使用Crazyradio PA進(jìn)行無(wú)線通信，通信前需要下載相應(yīng)的模塊進(jìn)行安裝編譯。

2.2 軟件系統(tǒng) 完整的四旋翼飛行器軟件系統(tǒng)是由機(jī)體及地面操作系統(tǒng)兩大部分組成。地面操作系統(tǒng)負(fù)責(zé)進(jìn)行高運(yùn)算量的數(shù)據(jù)處理，并通過(guò)無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸對(duì)四旋翼進(jìn)行高層次控制。機(jī)體操作系統(tǒng)采用ROS操作系統(tǒng)，它是一個(gè)開(kāi)源的機(jī)器人操作系統(tǒng)，只能在LINUX上運(yùn)行，可以提供大量常用于機(jī)器人系統(tǒng)的庫(kù)、硬件設(shè)備驅(qū)動(dòng)、可視化程序和數(shù)據(jù)通信程序，大大提升了機(jī)器人系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)效率。在ROS操作系統(tǒng)中，一個(gè)大型任務(wù)通常被分為幾個(gè)小任務(wù)獨(dú)立開(kāi)發(fā)，每個(gè)小任務(wù)以Package的形式存在。而每個(gè)Package運(yùn)行的進(jìn)程稱為Node，它可以與其它Node通過(guò)Topic相互通信。ROS操作系統(tǒng)通過(guò)Core內(nèi)核來(lái)管理這些Node和Topic，當(dāng)一個(gè)Node啟動(dòng)后，它會(huì)向Core注冊(cè)，并將自己需要發(fā)布和接收的Topic提交給Core，Core負(fù)責(zé)維護(hù)Node和Topic之間的關(guān)聯(lián)列表。每當(dāng)有Node啟動(dòng)或結(jié)束，Core均會(huì)更新列表以保證關(guān)聯(lián)的準(zhǔn)確性。

3 四旋翼飛行器自主懸停實(shí)驗(yàn)過(guò)程

3.1 試驗(yàn)準(zhǔn)備 本文設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地是一個(gè)邊長(zhǎng)為2米的正方體，四周搭上網(wǎng)，以防止四旋翼飛行器撞到墻上摔壞。同時(shí)將UWB的測(cè)距模塊固定在正方體的四個(gè)角上。接下來(lái)要做的就是搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，首先將四個(gè)螺旋槳安裝在十字機(jī)架尾端，再依次將鋰電池，UWB測(cè)距芯片固定在機(jī)架質(zhì)心處，調(diào)整好重心。將三個(gè)UWB測(cè)距模塊接上電源，另一個(gè)通過(guò)USB接口與電腦相連，獲取測(cè)距數(shù)據(jù)，連接radio PA，建立與四旋翼飛行器的藍(lán)牙通信連接，就可以進(jìn)行實(shí)驗(yàn)了。endprint

3.2 試驗(yàn)內(nèi)容 四旋翼飛行器的任務(wù)是從某一位置起飛，到達(dá)另一地點(diǎn)懸停，期望能通過(guò)實(shí)驗(yàn)不斷調(diào)整PID參數(shù)，使其在飛行時(shí)保持姿態(tài)穩(wěn)定，能平穩(wěn)飛行到指定位置，通過(guò)調(diào)整推力值來(lái)使四旋翼穩(wěn)定懸停。但是由于PID的參數(shù)因具體系統(tǒng)和具體環(huán)境而異，因此在調(diào)試時(shí)采用了工程整定法，按照“修改-運(yùn)行并觀察結(jié)果-再修改”的方法不斷進(jìn)行改進(jìn)。

3.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析 實(shí)驗(yàn)設(shè)定的懸停高度約為0.5米，起始位置坐標(biāo)為（0.88，0.60，0.04），用radio PA建立四旋翼飛行器與電腦的通信連接，此時(shí)UWB測(cè)得的數(shù)據(jù)就會(huì)實(shí)時(shí)傳輸?shù)诫娔X上，電腦終端窗口就會(huì)顯示出相應(yīng)的距離信息，測(cè)得四旋翼在靜止情況下的位置坐標(biāo)，以及與實(shí)際測(cè)量值相比誤差范圍波動(dòng)情況，如圖2所示。

從圖2中可以清晰地看出，四旋翼停在起始位置，此時(shí)UWB實(shí)時(shí)測(cè)出位置坐標(biāo)，與實(shí)際測(cè)量值相比較誤差范圍在2厘米以內(nèi)，所以定位精度還是很高的，測(cè)得的距離也是比較準(zhǔn)確的，驗(yàn)證了用三邊測(cè)量法原理進(jìn)行UWB測(cè)距定位在此實(shí)驗(yàn)環(huán)境下具有可行性。

賦予四旋翼飛行器一定的推力值，啟動(dòng)驅(qū)動(dòng)程序和TF變換，在程序中設(shè)定懸停位置為起始位置上方約0.5米的高度，四旋翼飛行器從初始位置開(kāi)始起飛，直到到達(dá)指定位置，在設(shè)定好的懸停位置附近盤旋。期間路徑變化及X，Y，Z軸的位置坐標(biāo)變化如圖3所示。

圖3中橫坐標(biāo)單位是時(shí)間，縱坐標(biāo)單位是距離，圓圈標(biāo)記的地方是懸停的時(shí)間段。設(shè)定的目標(biāo)是垂直起降懸停，從以上數(shù)據(jù)圖中可以看出，x方向在初始階段位置比較準(zhǔn)確，但經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后，懸停時(shí)的x坐標(biāo)在0.7米至0.8米之間，與設(shè)定的0.88米相差了10厘米左右。懸停階段的y坐標(biāo)值比較準(zhǔn)確，始終保持在0.6到0.7米之間，與預(yù)設(shè)值相差不到。z坐標(biāo)在懸停時(shí)比較穩(wěn)定，一直保持在0.6米多的高度，但是與預(yù)設(shè)值0.5米相差了10厘米。此外，四旋翼飛行器在進(jìn)入懸停階段之前，先飛到高于懸停的位置，然后慢慢減速，臨近懸停階段，位姿改變較大，四旋翼在不斷進(jìn)行位置與姿態(tài)地調(diào)試后，最終懸停成功。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文基于UWB技術(shù)，開(kāi)展四旋翼飛行器自主懸停實(shí)驗(yàn)研究，其本質(zhì)是定位和飛控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。考慮到室內(nèi)無(wú)法接收到GPS信號(hào)，所以采用了最近熱門的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)UWB進(jìn)行定位，基本達(dá)到了實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)，為進(jìn)一步改進(jìn)優(yōu)化實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和相關(guān)技術(shù)在軍事領(lǐng)域的推廣應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)：

[1]袁曉，葛利嘉，朱林，鄭相全.超寬帶無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)綜述[J].測(cè)控技術(shù)，2004，23（12）：1-4.

[2]朱林.超寬帶測(cè)距定位技術(shù)研究[D].四川：四川大學(xué)，2005.

[3]王力.四旋翼無(wú)人機(jī)飛控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D].南昌：南昌航空大學(xué)，2015.endprint