潘磊 李勇慶 王琛 戴錚 李燦 中國民航大學(xué)電子信息與自動(dòng)化學(xué)院

雙無人機(jī)跟蹤飛行分析

潘磊 李勇慶 王琛 戴錚 李燦 中國民航大學(xué)電子信息與自動(dòng)化學(xué)院

本文基于對(duì)單架無人機(jī)系統(tǒng)的定位、通信及控制，引入雙無人機(jī)的跟蹤飛行，進(jìn)而引伸為無人機(jī)集群控制。通過分析雙無人機(jī)通信方法以及無人機(jī)定位的手段，搭建雙無人機(jī)硬件平臺(tái)，軟件構(gòu)建協(xié)同算法，以無線通信的方式，將主機(jī)信息共享給從機(jī)，實(shí)現(xiàn)從機(jī)的跟蹤飛行。本文設(shè)計(jì)的雙無人機(jī)跟蹤飛行系統(tǒng)，具有較強(qiáng)可行性、可靠性，能夠?qū)崿F(xiàn)雙無人機(jī)快速響應(yīng)、協(xié)同飛行，為日后研究發(fā)展多無人機(jī)集群控制打下基礎(chǔ)。

無人機(jī) 跟蹤飛行 協(xié)同控制 實(shí)驗(yàn)分析

1 引言

近年來，四旋翼無人機(jī)的運(yùn)用越來越廣泛，功能也愈加完善，在軍事、農(nóng)業(yè)、救援等領(lǐng)域的作用突出。但單機(jī)工作的效率以及問題也日益突出，而多機(jī)工作比單機(jī)工作的效率以及質(zhì)量會(huì)高出不少。本設(shè)計(jì)為多無人機(jī)跟蹤飛行控制提供了一條思路。

國內(nèi)外，針對(duì)無人機(jī)集群研究都有相應(yīng)的進(jìn)展，在國外，美國海軍研究辦公室(ONR)開展了名為低成本無人機(jī)集群技術(shù)(Low-Cost UAV Swarming Technology，LOCUST)的項(xiàng)目研究，歐洲信息社會(huì)技術(shù)計(jì)劃（Information Society Technologies，IST）資助了異構(gòu)無人機(jī)群實(shí)時(shí)協(xié)同與控制項(xiàng)目（Real-time Coordination and Control of Multiple Heterogeneous UAVs，COMENTS）；在國內(nèi)，雖然我們起步較晚，但是也取得了相應(yīng)的成果，電科電子科學(xué)研究院趙彥杰針對(duì)無人機(jī)蜂群系統(tǒng)給出了相應(yīng)的研究意見和思考，西北工業(yè)大學(xué)的朱旭等人提出了基于信息一致性的多無人機(jī)編隊(duì)控制方法，提出了多無人機(jī)集結(jié)、解散以及隊(duì)形變換的策略。

本文所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)功能為兩架四旋翼無人機(jī)的跟蹤飛行，其中一架無人機(jī)作為領(lǐng)航，通過GPS等方式獲取當(dāng)前位置信息，再通過兩者之間的相互通信，利用協(xié)同控制達(dá)到另一架無人機(jī)跟蹤飛行的目的。本文著重介紹了該系統(tǒng)的搭建以及實(shí)驗(yàn)中遇到的問題及解決方法。

2 無人機(jī)總體設(shè)計(jì)及硬件設(shè)計(jì)

2.1 無人機(jī)總體設(shè)計(jì)

雙無人機(jī)跟蹤飛行系統(tǒng)由兩架四旋翼無人機(jī)組成，一架為主機(jī)，另一架為從機(jī)，用來模擬主機(jī)飛行、從機(jī)跟蹤的效果。其中，每臺(tái)四旋翼無人機(jī)的機(jī)載控制端由上下兩層硬件設(shè)備構(gòu)成。其中上層硬件設(shè)備有：飛控板、GPS定位裝置、STM32F103單片機(jī)、OLED顯示模塊、超聲波測距模塊、無線遙控器信號(hào)接收模塊以及無線通信模塊。下層硬件設(shè)備有飛控板、GPS定位裝置。

上層硬件設(shè)備功能。飛控板：產(chǎn)生四路PWM波，將PWM波傳送至下層飛控板。GPS定位裝置：采集無人機(jī)的經(jīng)緯度信息。STM32F103單片機(jī)：作為機(jī)載硬件設(shè)備的核心處理器，控制、監(jiān)視本機(jī)的飛行狀態(tài)。OLED顯示模塊：顯示飛行參數(shù)如無人機(jī)高度、經(jīng)緯度信息等。超聲波測距模塊：用于無人機(jī)在近地空域飛行時(shí)的測定高度。無線遙控器信號(hào)接收模塊：用于接收無線遙控器的控制信號(hào)。無線通信模塊：用于四旋翼無人機(jī)之間的通信。

下層硬件設(shè)備功能。飛控板：接受來自上層飛控板的四路PWM波信息，并將該控制信號(hào)傳輸給電調(diào)。GPS定位裝置：定位無人機(jī)的經(jīng)緯度信息，協(xié)助下層飛控板進(jìn)行飛行。

2.2 無人機(jī)硬件設(shè)計(jì)

2．2．1 機(jī)體基礎(chǔ)硬件

四旋翼采用F450常規(guī)型號(hào)機(jī)架，力臂為尼龍加纖材質(zhì)，超強(qiáng)硬度，層板為沉金PCB。無刷電機(jī)采用大疆E310，960rpm/V，具有高轉(zhuǎn)速，高穩(wěn)定性，再配以相符的電子調(diào)速器，碳纖螺旋槳（兩個(gè)正槳，兩個(gè)反槳），達(dá)到能夠完美完成飛行任務(wù)的機(jī)體要求。

2．2．2 定位系統(tǒng)

GPS是全方位、全天候、全時(shí)段、高精度的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，能為四旋翼無人機(jī)提供高精度的經(jīng)緯度位置信息，而且使用和調(diào)試方便，抗干擾能力強(qiáng)，適合室外四旋翼無人機(jī)的定位導(dǎo)航。

同時(shí)加入光流傳感器加以輔助定位，利用光流傳感器，從光流場中近似得到不能直接得到的運(yùn)動(dòng)場，采集四旋翼精確位置信息。由GPS與光流傳感器組合而成的定位系統(tǒng)，能夠更加精準(zhǔn)地獲得四旋翼無人機(jī)的位置以及高度信息。

在低空飛行時(shí)，引入超聲波定位，超聲波具有頻率高、波長短、繞射現(xiàn)象小，特別是方向性好，能夠成為射線而定向傳播等特點(diǎn)。缺點(diǎn)是測量距離短，短距離測量精度高，長距離測量精度低，結(jié)合這些特點(diǎn)，我們將超聲波傳感器應(yīng)用于低空飛行時(shí)的高度測量，同時(shí)可以作為低空警戒，保證四旋翼飛行穩(wěn)定。

2．2．3 控制芯片

本設(shè)計(jì)采用STM32F103VCT6作為主控芯片，搭配APM飛控與DJI NAZA-M LITE飛控實(shí)現(xiàn)無人機(jī)的飛行。STM32F103VCT6單片機(jī)所在的飛控板通過控制APM飛控與DJI NAZA-M LITE飛控進(jìn)行四旋翼飛行姿態(tài)及高度位置的調(diào)整，正常飛行時(shí)，利用GPS與光流傳感器對(duì)主機(jī)的經(jīng)緯度信息、位置信息及高度信息進(jìn)行采集，采集的信息通過串口傳輸送回STM32F103VCT6單片機(jī)。單片機(jī)再通過SX1278無線通信模塊將主機(jī)的經(jīng)緯度、高度等信息發(fā)送給從機(jī)，進(jìn)而控制從機(jī)的飛行狀態(tài)，進(jìn)而達(dá)到從機(jī)跟隨主機(jī)飛行的目的。主控芯片的工作圖如圖1所示。

圖1 控制芯片工作原理圖

2．2．4 底層飛控芯片

在這里采用了兩種飛控板作為底層飛控，一種是常用的APM飛控，另一種是DJI NAZA-M LITE飛控板。

APM飛控是較為常見的飛控板，是開源飛控系統(tǒng)，能夠支持固定翼，直升機(jī)，3軸，4軸，6軸飛行器，技術(shù)成熟，可靠性高，它采用Atmega1280作為主控芯片，飛控上集成了PPM解碼芯片，慣性測量單元，三軸磁力計(jì)，空速計(jì)，空壓計(jì)等一系列常用功能。APM飛控采用兩級(jí)PID控制，第一級(jí)是導(dǎo)航級(jí)，第二級(jí)是控制級(jí)，導(dǎo)航級(jí)PID控制目的是解決飛機(jī)如何以預(yù)定空速飛行在預(yù)定高度，以及如何轉(zhuǎn)彎飛往目標(biāo)等問題。通過設(shè)計(jì)算法給出飛機(jī)需要的俯仰角、油門和橫滾角，再由控制級(jí)進(jìn)行控制解算?？刂萍?jí)的任務(wù)就是依據(jù)需要的俯仰角、油門、橫滾角，結(jié)合飛機(jī)當(dāng)前的姿態(tài)解算出合適的舵機(jī)控制量，使飛機(jī)保持預(yù)定的俯仰角，橫滾角和方向角。APM具有飛控體積小，功能強(qiáng)大，飛行穩(wěn)定的特點(diǎn)，而且APM飛控技術(shù)較為成熟，資料詳細(xì)，便于對(duì)各種參數(shù)進(jìn)行修改，與其他系統(tǒng)進(jìn)行結(jié)合，因此選取其作為從機(jī)飛控。

DJI NAZA-M LITE飛控使用創(chuàng)新的All-in-One設(shè)計(jì)理念，將控制器、3軸陀螺儀、3軸加速度計(jì)和氣壓計(jì)等傳感器集成在一個(gè)更輕更小巧的控制模塊中，用于識(shí)別高度和姿態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)鎖定高度和平穩(wěn)姿態(tài)等飛行控制功能。具有安裝簡便，占用空間少，重量輕的顯著特點(diǎn)，而且它繼承了大疆飛控一貫的穩(wěn)定性，用來作為領(lǐng)航的主機(jī)飛控，體積小，重量輕，穩(wěn)定性高，可靠性強(qiáng)。

3 無人機(jī)軟件設(shè)計(jì)

3．1 串口通信部分

串口通信是指單片機(jī)和外設(shè)之間，通過信號(hào)線、地線、控制線等，按位進(jìn)行傳輸數(shù)據(jù)的一種通訊方式。這種通信方式使用的數(shù)據(jù)線少，并且簡便快捷，適合在無人機(jī)上實(shí)現(xiàn)。

本設(shè)計(jì)將UART通信模塊（波特率為115200字符/秒）通過C語言軟件進(jìn)行編程設(shè)計(jì)，在單片機(jī)中通過C程序?qū)崿F(xiàn)。在本系統(tǒng)中UART通信模塊用于GPS、光流傳感器和超聲波模塊與STM32F103VCT6單片機(jī)之間的通信，將GPS、光流傳感器、超聲波模塊采集到的位置信息傳送給單片機(jī)。

3.2 SX1278無線模塊

SX1278無線模塊基于SEMTECH公司的進(jìn)口芯片SX1278的無限透明傳輸模塊，采用先進(jìn)的LoRa擴(kuò)頻技術(shù)，傳輸距離與穿透能力比傳統(tǒng)FSK提升1倍以上，同時(shí)使用FEC前向糾錯(cuò)算法，能主動(dòng)糾正被干擾的數(shù)據(jù)包，使通信距離更遠(yuǎn)，抗干擾能力更強(qiáng)，而且具有空中喚醒功能（超低功耗），而且模塊提供了多個(gè)頻道的選擇，可以修改串口波特率、收發(fā)頻率、發(fā)射功率、射頻空中速率等各種參數(shù)，方便進(jìn)行調(diào)試。

SX1278無線模塊是一種中長距離通信系統(tǒng)，主要特點(diǎn)是功能強(qiáng)大、耗電量低、成本低廉，利用LORA擴(kuò)頻技術(shù)通信距離有保證，抗干擾能力強(qiáng)，且具有喚醒功能，功耗低，支持無線連接和通信，雙無人機(jī)能夠進(jìn)行良好的通信，便于主機(jī)將位置信息以及四個(gè)舵機(jī)的速度信息發(fā)送給從機(jī)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)從機(jī)跟蹤飛行的目的。

4 跟蹤飛行實(shí)驗(yàn)分析

4.1 無人機(jī)無法實(shí)現(xiàn)定高、定點(diǎn)功能

在進(jìn)行實(shí)際飛行時(shí)，發(fā)現(xiàn)單架無人機(jī)無法實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的定高、定點(diǎn)功能，一旦切換到定點(diǎn)功能便會(huì)發(fā)現(xiàn)無人機(jī)一直在該點(diǎn)附近徘徊，但無法停在設(shè)定點(diǎn)上，一旦切換到定高功能，便會(huì)發(fā)現(xiàn)無人機(jī)一直向上飛行。

經(jīng)過對(duì)于程序的細(xì)致研究后，發(fā)現(xiàn)飛控程序功能不夠完善，PID控制達(dá)不到預(yù)定要求，PID控制總是存在一定的偏差，因此綜合考慮后，我們在系統(tǒng)中采用了雙層飛控結(jié)構(gòu)，由下層飛控板控制無人機(jī)飛行，這樣做后，效果明顯得到了改善。

4.2 GPS信號(hào)浮動(dòng)無所獲得精確地址

在實(shí)驗(yàn)過程中，無人機(jī)出現(xiàn)了按“8”字來回飛行的狀況，經(jīng)過對(duì)無人機(jī)返回的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，我們發(fā)現(xiàn)GPS的數(shù)據(jù)存在很大的波動(dòng)，其范圍最大為周圍8米，所以無人機(jī)在飛行時(shí)無法獲得正確的GPS信號(hào)，兩架無人機(jī)在進(jìn)行數(shù)據(jù)交互時(shí)，主機(jī)一方無法給出確定的當(dāng)前GPS信號(hào)，而從機(jī)一方不僅收到的信號(hào)不穩(wěn)定，而且在進(jìn)行跟蹤飛行時(shí)自己的GPS信號(hào)也不穩(wěn)定，因此在飛行時(shí)會(huì)出現(xiàn)首架飛機(jī)按“8”字飛行，而從機(jī)無章法亂飛。

為了穩(wěn)定GPS信號(hào)，我們引入了卡爾曼濾波，卡爾曼濾波是一種高效率的遞歸濾波器，它能夠從一系列的不完全及包含噪聲的測量中，估計(jì)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的狀態(tài)。我們此處引入二階卡爾曼濾波，濾出GPS信號(hào)中包括經(jīng)緯度，高度等六個(gè)參量，實(shí)地測試后發(fā)現(xiàn)效果達(dá)到了預(yù)定要求，GPS數(shù)據(jù)波動(dòng)幾乎沒有，兩架無人機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)穩(wěn)定的跟蹤飛行。

5 結(jié)論

本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了雙無人機(jī)的跟蹤飛行，并融入了協(xié)同飛行算法。通過控制領(lǐng)航機(jī)的飛行姿態(tài)和軌跡，使得另一架無人機(jī)能夠自動(dòng)跟蹤飛行。該系統(tǒng)可擴(kuò)展至多無人機(jī)跟蹤飛行，多無人機(jī)跟蹤飛行比單一飛行器執(zhí)行任務(wù)時(shí)會(huì)更加高效，尤其是在任務(wù)目標(biāo)繁多且復(fù)雜時(shí)，多無人機(jī)跟蹤飛行更能夠體現(xiàn)出它的優(yōu)勢，可以同時(shí)對(duì)多個(gè)目標(biāo)采取行動(dòng)，從而大大地提升了執(zhí)行任務(wù)的效率。并且，在多無人機(jī)跟蹤飛行系統(tǒng)中，降低了對(duì)無人機(jī)的操控難度，只需要控制頭機(jī)的飛行狀態(tài)即可控制多架飛機(jī)。在實(shí)際生活中此系統(tǒng)能夠被廣泛應(yīng)用于執(zhí)行任務(wù)目標(biāo)多，任務(wù)環(huán)境復(fù)雜的任務(wù)中，能夠大幅度提高工作效率，節(jié)約寶貴的時(shí)間。

6 致謝

感謝中國民航大學(xué)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目給予的支持（大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目編號(hào)201610059090），感謝在整個(gè)項(xiàng)目過程中指導(dǎo)老師和隊(duì)友們的幫助。

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[4] COMETS Project web site[EB/OL]. [2014-2-6]. http://www. comets-uavs.org/

[5] 朱旭.基于信息一致性的多無人機(jī)編隊(duì)控制方法研究[M].西安:西北工業(yè)大學(xué),2014

潘磊（1996—），男，山東臨沂人，中國民航大學(xué)本科在讀，研究方向：控制理論與控制工程。