四旋翼自主精準降落平臺設計

甘培源 梅聰聰 謝逸菲

摘 要：針對無人機當前精準導航難、能源補充能力差等關鍵問題，基于物聯網技術的方法與思想，結合在發展的無人機技術支持，設計一種適用于四旋翼的自主精準降落平臺。該平臺包括基于超聲定位原理的“一發四收”裝置實現無人機降落過程全時段精準定位，基于STM32單片機的飛行輔助控制裝置實現降落過程專項控制，LoRa模塊實現“機-地”通信，無線充電裝置實現無人機降落后的能源補充。以該降落平臺為基礎，可以發展包括車載無人機、物流無人機、巡防無人機等眾多無人機產業，助力無人機技術和應用的發展，具有廣闊的市場前景。

關鍵詞：四旋翼;無人機技術;超聲定位;STM32;無線充電;能源補充

中圖分類號：TP368.2;V249.122+.5文獻標識碼：A文章編號：2095-1302（2019）08-00-03

0 引 言

四旋翼具有體型小、成本低、環境適應力和反應力強等特點，同時還具備高、廣視角等優勢，被廣泛應用于軍事、農業、救援勘探、物流、航拍攝影等領域[1]。因此，以四旋翼為典型的無人機家族成為未來通用航空業發展方向的代表，在近年來被賦予了更多的重定義與希望，甚至被認為是國家經濟增長的新動力之一。

相關統計數據表明，60%以上的飛行事故都發生在起飛降落階段，而起飛降落階段中后者又超半數。究其原因，在降落過程中，飛行器被控量多、控制精度要求高，為飛行安全引入諸多不利因素[2]。除飛行控制外，無人機的續航能力也是重要的技術性能之一。當前無人機航模電池多為鋰電池，其續航時間最長只能維持在20 min左右，這導致無人機作業時經常需要多次起降進行能源補充[3]。傳統的有線充電方式使得充電過程變得復雜，同時反復的插拔會導致充電接口損壞。

在此背景下，針對無人機技術現階段存在的自主導航定位難、續航能力差等關鍵問題進行研究，進一步發掘四旋翼飛行器的潛力，提高其可靠性、自主性、易用性，降低安全風險。本文提出的降落平臺較好地解決了小面積平臺上精準降落和能源補充問題。

1 整體方案

針對無人機降落問題，本文提出一套全新的無人機自動降落流程：在傳統衛星定位導航基礎上，提出采用“一發四收”超聲定位裝置對降落時段的無人機進行實時精準定位;并設計飛行輔助控制裝置，其上搭載LoRa無線通信模塊實現“機-地”間坐標信息傳輸后，進而對降落過程實現專項輔助控制以及無人機厘米級的智能降落。

在精準降落基礎上，為解決無人機能源問題，以提高能量補充效率為出發點，基于無線充電思想對降落平臺本身結構做出調整。無線充電裝置相對于傳統有線裝置更加便捷，省去了操作員插拔接線的多余工作同時也避免了可能出現的接口損壞等狀況。

2 整體設計

在整體方案的思想指導下，設計如圖1所示的降落平臺系統，其在傳統無人機結構的基礎上還包括：“一發四收”超聲定位裝置的接收與發射部分、數據中轉站、飛行輔助控制裝置和無線充電裝置。

3 定位設計

當前廣泛應用于機載衛星定位裝置的定位精度為2 m左右，僅僅能夠實現無人機基本返航至操作員的可視距離或設定降落點數米的范圍內[4]。這樣的結果顯然不能夠滿足具有面積限制或空間限制的降落需求，并且使無人機的回收變得十分困難，更談不上智能化、自主化。由此看來，選定合適精度的定位裝置并對運動目標的實時跟蹤定位是精準降落導航的前提。

查閱大量資料文獻，比較多重定位手段后，本文決定采用超聲定位技術。當前常見的超聲測距模塊多為“收發一體”。其測距原理為：計算超聲波從發射經障礙物反射到最后接收的用時乘以時間所得值的半數來得到待測物體的距

離[5]。通過實際試驗發現，單個超聲測距模塊具有精度高、質量輕等優勢，但卻可能因為所測距離為超聲波往返值而在遠距離情況下時效性差，同時航模電池對超聲模塊過近易產生干擾。

綜上所述，在此以“收發分離”為思想，采用“一發四收”超聲定位裝置。裝置采集實時坐標，模擬實現對運動無人機目標實時定位與跟蹤，從而獲得運動目標的運動參數及運動軌跡，為完成更高一級任務打好基礎。

“一發四收”超聲定位裝置包括一個機載超聲波發射器和4個安裝在降落平臺的超聲波接收器，控制模塊被設置在平臺背面，如圖2所示。在降落階段，發射器與接收器構成空間四棱錐。控制模塊每隔300 ms向超聲發射器和接收器發送特定地址信息控制其工作并獲得4個所測距離值，即四棱錐棱長;可設定接收器兩兩間距為定值即四棱錐底邊長。此時四旋翼坐標問題即轉換為已知四棱錐各邊長求四棱錐定點的幾何問題。

以左下角超聲接收器為原點建立圖2所示的空間直角坐標系，以S1，S2，S3為例，列出以下三元二次方程：

可求得無人機的三維坐標Point 1：

同理對S2，S3，S4;S1，S2，S4;S1，S3，S4三組數據進行計算，又可得到對應的坐標Point 2，Point 3，Point 4。將此四值進行均值處理后可得到相對準確的三維坐標信息，被保存在控制模塊中。

4 控制單元設計

當前，四旋翼的控制結構一般為：接收機與遙控發射機以2.4 GHz無線通信方式傳輸信號，接收機與飛控有線連接。但基于降落過程專項單元專項控制的思想，筆者設置了嵌入式單片機作為飛控的輔助控制單元：將飛控與接收機通過STM32單片機相連。在飛行輔助控制裝置與定位裝置的控制端間設置LoRa無線通信模塊，解決坐標信息的“機-地”傳輸;搭載MPU6050傳感器以實時獲取姿態角信息。三維坐標信息（x，y，z）與姿態角信息（pitch，roll，yaw）兩組六項數據共同為無人機姿態控制提供更新變量，采用常見的無人機PID控制算法即可實現對無人機降落階段的精準控制[6-7]。

作為飛行輔助控制裝置的核心，STM32單片機通過定時器捕獲和輸出PWM波信號可實現對遙控器控制的接收機信號的獲取以及向飛控等輸出值的過程，即遙控飛行模式;以獲取到坐標作為中斷觸發標志，可切換至降落模式。

專項控制思路因并未對原有結構本身做出改變，僅僅是在兩個原有模塊中增加了一個連接單元，所以幾乎適用于各類機型，通用性較強。優化的無人機控制單元結構圖如圖3所示。

5 無線充電設計

在精準降落的前提下，筆者在降落平臺上增加無線充電裝置以實現降落后無人機更加便捷地能量補充。當前市面上的無線充電裝置種類繁多，其原理依據大都是以發射線圈和接收線圈諧振方式的磁傳輸[8]。

降落平臺的中心部分被絕緣物質圓形填充，避免耦合時導體材料的干擾[9]。無人機電池與接收線圈相連，隨無人機精準降落后與發射線圈對接，此時打開發射線圈的電源開關即可開始充電。此功能省去了操作員插拔接線的多余工作，同時也避免了可能出現的接口損壞等狀況。無線充電原理圖如圖4所示。

6 實驗驗證

6.1 定位實驗

定位實驗時，在超聲波發射端采用獨立電源供電并單獨固定放置，如圖5所示。

定位具體步驟為：

（1）將降落平臺垂直于桌面放置，即“一發四收”定位裝置的四個接收端所在平面垂直于桌面;

（2）將單獨供電的超聲波發射端也垂直于桌面并使發射頭直射向四個接收端;

（3）遵循之前設定的三維坐標系，可通過測量方式較為準確地給出當前超聲波發射端在此坐標系中的坐標值，將定位裝置所測得的坐標值與實測坐標值比較并記錄;

（4）調整超聲波發射端在上述坐標系中的位置，重復步驟（3）以得到多組對比值，如圖6所示。

6.2 降落實驗

本文設計如圖7所示的平臺作為無人機降落后的支撐部分以及各模塊的搭載平臺。四個超聲波接收探頭嵌置于小圓孔下，且探頭通過小圓孔露出，同時保證探頭與平臺表面處于同一水平面。

為了保證降落實驗的安全性，采用5 mm牽引繩連接無人機機架并將另一端于地面固定。在平臺上不同的空位置開始降落，降落結束后測量無人機幾何中心相對降落平臺位置。圖8為隨機放置無人機開始降落過程后，無人機最終降落點位置分布圖。顯然可以觀察到幾乎所有降落點都與降落閾值邊界所構成的邊長為2 cm的正方形吻合，說明了定位裝置及降落算法的可行性。

7 結 語

本文設計一種以四旋翼無人機為對象的精準降落平臺并能夠對降落后的無人機進行無線充電。通過理論分析和實驗驗證，本文的降落方案可行且定位裝置的實時精度可達毫米級，設置降落精度可達厘米級，同時平臺搭載無線充電裝置避免了有線充電方式繁瑣和反復插拔導致的接口損壞現象，提升飛行作業效率。以該降落平臺為基礎，可以發展包括車載無人機[10]、物流無人機、巡防無人機等眾多無人機產業，助力無人機技術和應用的發展，具有廣闊的市場前景。

參 考 文 獻

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[4]王閱兵，游新兆，金紅林，等.北斗導航系統與GPS精密單點定位精度的對比分析[J].大地測量與地球動力學，2014（4）：110-116.

[5]李茂山.超聲波測距原理及實踐技術[J].實用測試技術，1994（1）：12-20.

[6]鄭健.基于無模型自適應控制方法的四旋翼飛行器姿態調整[D].北京：北京交通大學，2015.

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