高校送餐無人機自動尋址算法

張晶朋，楊威

（沈陽城市建設學院信息與控制工程系，遼寧沈陽，110167）

0 引言

國民經濟的不斷提升，決定了在未來二三十年里航空仍然是一個高速發展的行業。就運輸航空而言，整體發展趨勢持續向好，各項指標穩步上升。在中國民用航空局2016年工作報告中顯示，全民航業在1月至7月間完成的運輸總周轉量達到455.9億噸公里，同比增長 12.5%。航空業尤其無人機蓬勃發展，為此而感到榮幸的同時，更應該冷靜的做好針對不安全事故的應對措施。航空安全一直以來都是世界各國長期關心的問題，它事關國家政治經濟與人民財產安全。

1 無人機飛控系統

飛控系統就是無人機飛行控制系統，是無人機的核心控制裝置，相當于無人機的大腦，是否裝有飛控系統也是無人機區別于普通航空模型的重要標志。主要有陀螺儀（飛行姿態感知），加速計，地磁感應，飛控，氣壓傳感器（懸停高度粗略控制），超聲波傳感器（低空高度精確控制或避障），光流傳感器（懸停水平位置精確確定），GPS模塊（水平位置高度粗略定位），以及控制電路組成。主要的功能就是自動保持飛機的正常飛行姿態。

隨著智能化的發展，當今的無人機已不僅僅限于固定翼與傳統直升機形式，已經涌現出四軸、六軸、單軸、矢量控制等多種形式。多軸形式的無人機一般通過控制各軸槳葉的轉速來控制無人機的姿態，以實現轉彎、爬升、俯沖、橫滾等動作。

2 無人機自動尋址算法

2.1 路徑規劃技術

路徑規劃技術是指無人機在有障礙物，或和其它無人機相遇等復雜外界環境中，尋求從起點到終點的最優或次優路徑。該路徑必須保證無人機在運動過程中的安全，不會碰到障礙物，同時完成指定任務，規劃的路徑一定要經過任務所在的位置，設計規劃出的路徑必須簡單并盡量優化，保證合理利用無人機能源，盡量減小路線長度，增加有效運行時間在任務中的占比。

無人機路徑的優秀程度是完成任務好壞的關鍵，也是增加有效運行時間的重要保證。一個優秀的路徑算法，必須保證路徑的合理性，規劃的路徑都是可行的，任務中重要節點都在路徑上；算法能夠計算出所有的可行方案，能夠有日志供開發者查找問題出現的原因；設計的路徑要達到最優，減少能耗，增加續航時間和航行距離等；發揮出無人機本身硬件的最高性能；路徑規劃要做到高效實時，算法能夠及時根據飛控中心服務器授時，接收到的定位信息來實時調整當前路徑和速度，保證飛行穩定有效，避免延誤。

2.2 無人機尋址算法

結合高校送餐服務，無人機可采用兩種模式完成送餐服務。（1）根據校園三維模型數據，為無人機編制飛行路徑固定的飛行路線完成送餐業務；（2）不考慮校園三維模型數據，采用視覺定位和GPS功能完成送餐業務。

如果采用第一種方式，需建立校園內建筑三維模型并隨時更新，為無人機編制針對每個寢室陽臺送餐路線，當校園基礎設施建設增加時，必須針對無人機更新飛行路線，否則可能出現由于飛行路線和算法未更新導致與新建筑物撞擊事件的發生。這種無人機不需要過多的獨立的尋址算法，因為此時，無人機送餐尋址算法依賴校園三維模型數據。

本文分析并設計第二種方式完成送餐服務。既然不依賴三維模型，那么無人機如何判斷怎樣飛行到送餐目的地呢？

2.3 視覺定位

送餐無人機的視覺傳感器通過獲取目標圖像，經過數字圖像處理及特征點的提取，得到目標的圖像坐標，再由計算機來實現被測物體空間幾何參數和位置姿態等參數的快速計算。主要分為有標記的視覺定位和無標記的視覺定位，其中無標記的定位需要關于場景的先驗知識，首先獲得環境地圖，由于我們主要應用于高校中，所以比較容易地獲取到高清的環境地圖，地點也比較固定，將寢室樓進行標記，并設置多個雷達基站進行準確定位，圖像視覺進行輔助定位。基于地面標識的視覺定位技術如圖1所示。

圖1 基于地面標識的視覺定位技術

2.4 算法設計

結合視覺定位尋址算法的基本特點和功能，算法設計如下（建議使用C++或Java作為語言實現）：

（1）init函數初始化，建立3*3矩陣R。

（2）磁力計修正，得到誤差corr：先計算得到誤差角度mag_er，再用_wrap_pi函數做約束，再計算corr值，相當于機體坐標系繞地理坐標系N軸（Z軸）轉動arctan（mag_earth(1), mag_earth(0)）度。

（3）加速度計修正更新誤差corr：將陀螺儀計算得到的矩陣第三行（即重力加速度部分）轉換到b系，再將加速度測得重力加速度（_accel - 機體加速度）的數據歸一化（本身屬于b系），將這兩個的值進行叉乘即測得誤差。具體過程：歸一化的n系重力加速度通過旋轉矩陣R左乘旋轉到b系，即k為歸一化的旋轉矩陣R（b-e）的第三行，總的受到合力的方向（_accel）減去機體加速度方向（_pos_acc）得到g的方向，即總加速度（加速度獲取）減去機體運動加速度（第五部分）獲取重力加速度，然后姿態矩陣的不是行就是列來與純重力加速度來做叉積，算出誤差。因為運動加速度是有害的干擾，必須減掉。算法的理論基礎是[0,0,1]與姿態矩陣相乘。該差值獲取的重力加速度的方向是導航坐標系下的z軸，加上運動加速度之后，總加速度的方向就不是與導航坐標系的天或地平行了，所以要消除這個誤差，即“_accel-_pos_acc”。然后叉乘z軸向量得到誤差，進行校準。

（4）對誤差corr進行PI控制器中的I（積分），得到_gyro_bias，再對_gyro_bias做約束處理。

（5）使用修正的數據更新四元數，并把_rates和_gyro_bias置零便于下次調用時使用。

3 結論

實時操控下無人機飛行控制系統技術已經完全成型，無人機自動尋址技術仍處于百花齊放，尤其無人機應用于不同領域中采用的尋址算法側重點也有所不同，本論文研究了在高校范圍內送餐無人機的尋址算法。

參考文獻

[1]趙明.多無人機系統的協同目標分配和航跡規劃方法研究[D].哈爾濱工業大學,2016.

[2]張潮.神經智能控制在小型快遞無人機系統中的研究與應用[D].北京科技大學,2016.

[3]卓星宇.無人機山區搜尋方法研究[D].中國民用航空飛行學院,2017.