基于超聲波模塊的四旋翼無人機在編隊中的定位方法

栗乾瀚 李澤陽 李路昌

【摘要】在無人機進行編隊飛行時，在領航-跟隨的編隊策略下，針對如何進行長機僚機之間的定位問題提出了超聲波定位的解決方案。在建立的模型當中，進行了定位計算。可以使無人機在編隊飛行當中以固定隊形飛行。

【關鍵詞】無人機;編隊飛行;超聲波定位

引言：四旋翼無人機是一種新型飛行器，從結構上來說，它是一種四軸給旋翼提供動力的飛行器。四旋翼飛行器的工作原理是飛行時調節電機旋轉速度，帶動槳葉轉動，產生豎直向上的升力，使飛行器能夠在空中處于一個平穩的飛行狀態。相比于固定翼無人機來講，四旋翼無人機有機械結構簡單，飛行靈活，適合空中懸停和體積小等特點。相比單架無人機，多無人機編隊更易于完成復雜任務，提高了容錯率，使得編隊飛行控制成為現下研究熱門課題。使用超聲波模塊進行定位獲得的數據精度較高，可達到厘米級，且結構簡單。無論是在容錯率高還是在續航，檢修，控制等方面都有較大的優勢。

1、編隊策略

1.1 編隊形式。飛行器的編隊飛行就是兩架及以上的四軸飛行器從任意的初始位置按照事先預定好的隊形進行飛行，并且在飛行的過程中在各個飛行器之間的距離和高度保持初始的飛行狀態。無人機的編隊控制有多種方法，主要的控制方法有領航-跟隨法，虛擬結果法，基于行為的方法。現在存在多種編隊形式，但由于無人機搭載芯片的性能限制和無人機在空中飛行時所實時采集的姿態、位置等多種數據，為防止運算速度低下，實時運動改變不及時。采用地面基站—長機—僚機編隊策略。即地面基站為機隊提供飛行數據，目標坐標。長機為機隊中的參照物，僚機檢測自身位置，核對目標點，并進行自身的姿態調整。

1.2 長機僚機結構模型。在編隊過程中，長機根據預先預定的航跡飛行，僚機的編隊則是主要控制距離的控制過程。在水平面上，輸出的指令信號都是關于速度和方向上的，通過反饋水平面雙機的距離信息來實現跟蹤距離控制的功能，在垂直面上，僚機根據高度的測量值來實現高度的控制。

2、定位方法

2.1應用測距原理。由于編隊性質，采用單向一對一測距法。單向測距法中由應答器和主測距器組成，主測距器放置在被測物體上，在處理器的指令信號的作用下向位置固定的應答器發射同頻率的無線電信號，應答器在收到無線電信號后同時向主測距器發射超聲波信號，得到主測距器與各個應答器之間的距離。單向測距可以實現兩點測距，當同時有三個或三個以上不在同一直線上的應答器做出回應時，就可以計算出被測物體所在的位置。在相同的測量距離下，反射式測距法空氣對超聲波吸收較單向測距法大，因此反射式測距范圍較單向式測距范圍小。若以測得距離，根據算法便可得到待測物體的位置，實現定位。這樣就能實現一對多的控制。

2.2 領航機的定位。采用目視定位法，既人為控制領航機的位置和運動軌跡，使得機隊能夠以領航機為參考系進行編隊飛行動作。從單對多轉變成單對單的控制極大降低了控制成本，將更多的控制運算壓力轉移到各個跟隨機上，減少了地面控制臺的負擔。

2.3 跟隨機的定位

采用多點定位法，既在領航機上安裝位置不同的四個超聲波定位裝置，跟隨機上安裝兩個位置不同的超聲波定位裝置。根據不同傳感器之間測得的距離參數，就能算出跟隨機相對于領航機的空間位置參數。再將測得相對坐標和編隊預定編隊坐標比對，得出需要的飛行軌跡，再配合無人機姿態控制實時刷新糾正，保證編隊穩定性和可靠性。

3、模擬仿真與結論推導

3.1 領航機參考系的建立

在無人機領航機上安裝四個超聲波測距模塊，分別位于四個臂上，其距離機體臂橫剖面中心均為200mm。兩兩一組分別位于機臂上下兩側，其分布方式如圖所示。將其命名為ABCD。以機體臂為基準面，機體臂橫剖面中心點為原點建立坐標系，就可以得到四個點的坐標A（-200，0，100） B（0，-200，-100） C（0，200，-100） D（200，0，100）。

3.2跟隨機的坐標的確定

相比于領航機的超聲波模塊的安裝方式，跟隨機只需保留AC兩個位置的模塊即可，記作EF。通過E模塊和F模塊分別于ABCD進行測距運算即可實時得出本機的相對位置和飛行方向。

設EF在相對坐標系中的位置為E（x1，y1，z1）F（x2，y2，z2）解得：

E點：

F點同理。

姿態控制：

根據給定坐標和即時坐標，計算出在偏航，俯仰，橫滾三個方向所需角度α，結合飛控調整姿態，以達到自動跟蹤的目的。

4總結

目前研究的成果如下：

超聲波的距離測量工作：

通過時間差定位，計時從超聲波發射超聲波開始，遇到障礙物時反射超聲波，接收器接收到立即停止計時，從開始到結束的時間差是波傳播的時間。障礙物和超聲波發射器之間的距離根據超聲波在空氣中的傳播速度和時間來確定。超聲波在空氣中的傳播速度受到溫度的影響較大，在計算過程中需要對溫度的影響進行考慮。溫度和速度的計算公式可以近似看作：

其中c為超聲波在空氣中的傳播速度，一般取值為340m/s， t為發射和接收超聲波的時間差。

協同飛行的工作模擬：

這次采用的是長機-僚機的模式，即地面基站為機隊提供飛行數據、目標坐標。長機為機隊中的參照物，僚機檢測自身位置，核對目標點，并進行自身的姿態調整。運用超聲波測距的原理，通過空間直角坐標系的建立，在理論上確定四旋翼無人機編隊的定位控制方法。根據領航機和跟隨機上不同傳感器之間測得的距離參數，計算出跟隨機相對于領航機的空間位置參數，與預定空間坐標進行對比，從而達到對無人機編隊的調整和控制。

參考文獻：

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[3]周慧，宋義.一種基于Matalb的四旋翼飛行器姿態控制設計與仿真[J].科技資訊，2016，14（20）：62+64.

基金項目：中國民航大學大學生創新創業項目（項目名稱：多旋翼無人機編隊動態飛行，項目編號：IEYCAUC2019223）。

作者簡介：栗乾瀚（1999-），男，本科在讀，研究方向：飛行器動力工程。李澤陽（1999-），男，本科在讀，研究方向：飛行器動力工程。李路昌（1999-），男，本科在讀，研究方向：飛行器制造工程。