李潤寧 繆月 巫俊靈 孫光闊 陶心怡

摘要：四軸飛行器具有結(jié)構(gòu)簡單、能耗低、體積小等優(yōu)點，在多處領(lǐng)域被使用。在復(fù)雜環(huán)境中飛行，遇到障礙物時，通過人為操縱飛行器不斷改變飛行狀態(tài)避開障礙物難度較大，該設(shè)計利用6路超聲波檢測模塊計算障礙物位置，實現(xiàn)自動避障。具有靈活性強(qiáng)、穩(wěn)定性高等特點，大大降低了飛機(jī)墜機(jī)的風(fēng)險。

關(guān)鍵詞：四軸飛行器；智能避障；超聲波避障

中圖分類號：TP242.6 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：2095-2163（2016）02-

Design of remote control and intelligent collision avoidance of four axis aircraft based on STM32

LI Running，MIAO Yueqin，WU Junling，SUN Guangkuo，TAO Xinyi

（College of Electrical Engineering，Shanghai University of Engineering Science，Shanghai 201620，China）

Abstract：Four axis aircraft has the advantages of simple structure， low energy consumption， small volume， which is used in many fields. Flying in the complex environment， while encountering all the obstacles，it is difficult to changeaircraft flight status by manual manipulation aircraft. This paperproposesthe design of no.6 ultrasonic detection module， in which the position of obstacles is determined， and automatic obstacle avoidance is realized. The research has such advantages as strong flexibility and high stability， therefore greatly reduces the risk of the plane crash.

Key words：Quad rotor；intelligent obstacle avoidance；ultrasonic obstacle avoidance

0引言

四軸飛行器因其結(jié)構(gòu)緊湊、飛行方式獨特、切具垂直起降式特點，使其在軍事和民用多個領(lǐng)域都已延伸拓展了廣闊應(yīng)用前景，同時非常適合在狹小空間內(nèi)執(zhí)行任務(wù)。而在復(fù)雜環(huán)境中飛行，并遇到障礙物時，試圖通過人為操縱來不斷改變飛行器飛行狀態(tài)、從而避開障礙物的執(zhí)行實施難度較大，更多情況下則會由于操作不當(dāng)導(dǎo)致飛行器損毀，由此可知人為操作避障可靠性差、可行性低。基于此，本文提出了一種智能避障設(shè)計，旨在顯著降低飛行器由于人為操作失誤而墜毀的風(fēng)險。

該設(shè)計利用姿態(tài)獲取技術(shù)、PID控制算法、2.4G無線通訊技術(shù)和智能避障算法，實現(xiàn)對四軸飛行器的精準(zhǔn)控制。系統(tǒng)的整體設(shè)計包括飛控部分、遙控部分和智能避障部分。其中，飛控部分采用STM32F407作為主控芯片，而且引入控制板和機(jī)架一體設(shè)計增強(qiáng)系統(tǒng)穩(wěn)定性。遙控部分采用搖桿操作輸入使操作體驗可達(dá)現(xiàn)實極佳?？刂瓢搴瓦b控器之間采用2.4G無線通訊模塊，保證數(shù)據(jù)穩(wěn)定傳輸。智能避障系統(tǒng)通過6路超聲波模塊數(shù)據(jù)，精準(zhǔn)計算障礙物位置，實現(xiàn)智能避障。

1四旋翼飛行器的結(jié)構(gòu)原理

四旋翼飛行器的結(jié)構(gòu)一般可分為4個模塊：電機(jī)模塊，微控制器模塊，傳感器模塊以及無線通訊模塊，如圖1所示。具體地，電機(jī)模塊由4個旋翼、電機(jī)和電機(jī)驅(qū)動器組成；微控制器模塊用來實現(xiàn)與其他模塊的數(shù)據(jù)傳輸并對其進(jìn)行實時控制；傳感器模塊由檢測飛行器各種姿態(tài)和指定飛行方向的傳感器組成，如加速度傳感器，陀螺儀傳感器等；無線通訊模塊則由無線發(fā)射、無線接收和遙控器模塊組成。

Fig.1 General composition of aircraft structures

四旋翼飛行器的工作方式分為“+”模式和“x”模式兩種?！?”模式飛行器的4個旋翼對稱分布在飛行控制板的中軸線上；“x”模式飛行器的4個旋翼對稱分布在控制板的對角線上。相對于“+”模式，“x”模式的飛行穩(wěn)定性更高，在狹窄的空間飛行更顯其客觀優(yōu)勢，所以大部分飛機(jī)均是采用了“x”模式。飛行器通過調(diào)節(jié)4個電機(jī)的轉(zhuǎn)速，借此改變旋翼轉(zhuǎn)速而實現(xiàn)升力的變化，從而控制飛行器的姿態(tài)和位置。四旋翼飛行器的結(jié)構(gòu)如圖2所示，可以實現(xiàn)6種基本運(yùn)動方式。

傳統(tǒng)的四軸飛行器沒有避障傳感器模塊，也沒有智能避障算法，所以很容易由于人工操作失誤所致，與障礙物發(fā)生碰撞，導(dǎo)致飛行器墜落。本研究在傳統(tǒng)四軸飛行器的基礎(chǔ)之上提出了設(shè)計改進(jìn)，增加避障傳感器，同時結(jié)合智能避障算法，由此實現(xiàn)了飛機(jī)的自動避障，大大降低了墜機(jī)的風(fēng)險。

2總體方案

3硬件設(shè)計

四軸飛行器的主要目的是實現(xiàn)遙控與自動避障。處理器選用了STM32F407，該芯片采用ARM Cortex-M4內(nèi)核，主頻高達(dá)100MHz，具有14個定時器，144個接口，芯片擁有充分用于本研究設(shè)計的執(zhí)行實施，而且即便對于今后的深度開發(fā)也留有足夠的拓展空間。不僅如此，考慮到日后的硬件升級和其他功能的發(fā)展完善，選擇了具有較大負(fù)載能力的50CM軸距的碳纖維機(jī)架，碳纖維機(jī)架具有強(qiáng)度高、質(zhì)量輕的特點，完全滿足本文研究的現(xiàn)實需求。進(jìn)一步地，綜合速度和負(fù)載的雙重考慮，螺旋槳采用了11寸APC正反漿，為了針對MCU信號實現(xiàn)快速響應(yīng)，電機(jī)驅(qū)動選擇具有瞬態(tài)控制并且表現(xiàn)穩(wěn)定的30A無刷電子調(diào)速器，同時配備了增速更快、轉(zhuǎn)速精準(zhǔn)的x2212 kv980無刷電機(jī)。此外，電池選取的是航模中常用的3S 11.1V 2200mAh動力鋰電池；超聲波模塊則選用HY-SRF05超聲波傳感器，該傳感器性能穩(wěn)定，盲區(qū)小，高度貼切、符合本文設(shè)計。

4軟件設(shè)計

軟件設(shè)計思想是，開機(jī)初始化通訊模塊、傳感器模塊、避障模塊等。隨后等待電機(jī)解鎖信息的傳入，計算障礙物位置，設(shè)計避障路線，抵達(dá)終點。程序設(shè)計流程如圖4所示。

飛控系統(tǒng)采用6路超聲波模塊，每個模塊檢測1個方向，6個方向分別為前、后、左、右、上、下。飛控系統(tǒng)需要不停檢測6路模塊，當(dāng)遙控器下達(dá)向某一方向前進(jìn)命令時候，若該方向上沒有障礙物，則飛機(jī)正常行駛，直至到達(dá)目的地前若都沒有遇到障礙物，則飛機(jī)將一直平穩(wěn)行駛。當(dāng)飛機(jī)前進(jìn)方向上發(fā)現(xiàn)遇有障礙物時候，則利用6路傳感器返回探測值，由此計算前方障礙物形狀，并且自動規(guī)劃設(shè)計避障路線，再執(zhí)行相關(guān)指令智能避過障礙物，繞過障礙物之后，將自行回到原來的飛行運(yùn)動直線上。整個飛行過程則如同前述處理所示，判斷選擇循環(huán)發(fā)生，直至飛行器順利抵達(dá)目的地。

5結(jié)束語

本文提出了一個簡易四軸飛行器遙控與智能防撞設(shè)計的研究實現(xiàn)，整個方案分為遙控控制板、飛行控制板、智能防撞系統(tǒng)設(shè)計3個部分。通過2.4G無線模塊進(jìn)行通訊；飛控系統(tǒng)采用姿態(tài)獲取算法，根據(jù)反饋控制算法進(jìn)行電機(jī)驅(qū)動從而實現(xiàn)飛行控制；飛控板采用一體化設(shè)計使得系統(tǒng)簡單、緊湊。6路超聲波模塊同時檢測，使得障礙物位置檢測精確，自動避障系統(tǒng)設(shè)計，避免了普通飛機(jī)容易失事的弊端。本文研究最終實現(xiàn)了飛行器的基本遙控與智能防撞的預(yù)期功能目的。實踐證明，該四軸飛行器飛行穩(wěn)定，障礙物位置檢測精確，避障系統(tǒng)性能穩(wěn)定，且飛行靈活，因而取得了較好的現(xiàn)實應(yīng)用效果。

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