昏暗環(huán)境的新型超聲波地形測繪新技術(shù)應(yīng)用研究

何代宇，曾文沛，楊曉東，耿加良

(四川輕化工大學(xué) 土木工程學(xué)院，四川 自貢 643000)

0 前 言

超聲波因其最低頻率大于人的最大聽覺而得名。它的方向性好，穿透能力強(qiáng)，容易獲得比較集中的聲能，且波長小，發(fā)射定向性高，所以能通過數(shù)據(jù)而精準(zhǔn)測算距離長度。與電磁波和激光相比，其在水中具有傳播距離遠(yuǎn)等特性。相較于傳統(tǒng)山地投影測距法、水下聲吶測距新方法，超聲波測距具有抗干擾能力強(qiáng)、測量范圍廣、操作簡單等明顯優(yōu)勢。超聲波測距新技術(shù)的工作原理：超聲波在聲波發(fā)射開始的同時開始計(jì)時，在介質(zhì)中傳播，遇障礙物反射產(chǎn)生回波，接收裝置接收到回波后立刻停止計(jì)時。

本文的超聲波測繪飛行器新技術(shù)，利用了超聲波自身優(yōu)勢，測距、繪圖基本原理，結(jié)合多波聲吶、GPS技術(shù)發(fā)展而成的CNSS水下地形測量技術(shù)、DSP技術(shù)來解決本文所介紹的測繪問題。

1 測繪新技術(shù)主要內(nèi)容

測繪新技術(shù)飛行器設(shè)計(jì)采用意法半導(dǎo)體STM32F7作為飛行主控芯片，5個AVR單片機(jī)ATmega 328P用來作為協(xié)助信息處理芯片以保證信息的及時處理，安裝在四旋翼飛行器下方不同位置的超聲波信息接收傳感器用來接收地面障礙物反射回來的各種反射波信號，其中以ARMCortex-M4為基礎(chǔ)的STM32F4系列的MCU采用了以意法半導(dǎo)體為載體的NVM工藝和ART加速器。

這是至今為止所有以Cortex-M為基礎(chǔ)內(nèi)核的微控制器產(chǎn)品所能達(dá)到的基準(zhǔn)測試最高分?jǐn)?shù)[1]，所以系統(tǒng)能自主分析超聲波信號，通過時間差運(yùn)算距離并在三維坐標(biāo)上構(gòu)筑不同地形高度，飛行控制芯片通過對5組數(shù)據(jù)整合分析后得到自己在空間內(nèi)的位置定位，以自己為中心建立三維坐標(biāo)進(jìn)行地形處理與標(biāo)注，通過對多個地形數(shù)據(jù)整合進(jìn)行構(gòu)筑地面三維坐標(biāo)。

現(xiàn)代超聲波測深新方法主要是利用發(fā)送超聲波并接收障礙物反射回來的超聲波，通過時間差運(yùn)算出距離數(shù)據(jù)，從而達(dá)到測深目的。電路采用C8051F020微處理器，主要進(jìn)行數(shù)據(jù)采集及水深運(yùn)算，并完成超聲波發(fā)射脈沖控制、AD轉(zhuǎn)換、時間差計(jì)算、數(shù)據(jù)傳送的程序。

用于山地、水下或昏暗環(huán)境的新型超聲波地形測繪飛行器，包括機(jī)架、撐腳、旋翼系統(tǒng)、供電系統(tǒng)、飛行控制系統(tǒng)以及用于地面操作的遙控系統(tǒng)，其特征在于：所述機(jī)架底部還安裝超聲波水下地形測量儀，該超聲波水下地形測量儀包括一個帶有電源的控制電路，該控制電路不僅與超聲波接收發(fā)射電路、地面遙控系統(tǒng)的機(jī)載無線信號收發(fā)模塊連接，還和用于接收地面遙控系統(tǒng)信號的機(jī)載無線信號收發(fā)模塊相連接。

2 超聲波測繪新技術(shù)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

2.1 遙控系統(tǒng)及主要構(gòu)架

測繪新技術(shù)遙控系統(tǒng)包括遙控手柄、計(jì)算機(jī)、地面無線信號收發(fā)模塊，該地面無線信號收發(fā)模塊與飛行控制系統(tǒng)、機(jī)載無線信號收發(fā)模塊進(jìn)行信號交換。在遙控的指導(dǎo)思路下，用于顯示和輸入各種指令的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)獨(dú)立出來，不用搭載在飛行器上，既減輕了飛行器負(fù)重也能節(jié)省能耗。測繪新技術(shù)遙控系統(tǒng)控制電路采用C8051F020微處理器，其主要工作是進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和水深運(yùn)算，并完成超聲波發(fā)射脈沖控制程序、AD轉(zhuǎn)換程序、時間差計(jì)算程序、數(shù)據(jù)傳送程序。飛行器機(jī)架在水平面上呈矩形形狀，支撐腳從機(jī)架四個角沿著對角線的延長線傾斜向下和向外延伸，有效提高了飛行器著陸穩(wěn)定性，而支撐腳末端安裝的充氣氣囊由機(jī)架上的充氣裝置統(tǒng)一充氣和放氣，通過控制電路輸出的控制信號進(jìn)行控制充氣裝置的放氣和充氣等操作。在進(jìn)行水下地形測繪工作時，難免遇到意外導(dǎo)致飛行器耗電超出計(jì)劃或發(fā)生故障而不能正常返航，氣囊的作用在于實(shí)現(xiàn)飛行器盡量平穩(wěn)地漂浮在水面上，方便尋找，同時對設(shè)備起到保護(hù)作用。

2.2 超聲波傳感器

測繪所用的傳感器測距模塊可實(shí)現(xiàn)2 cm到4.5 m，所以方案選用US-100超聲波傳感器，它可以實(shí)現(xiàn)2.4 V到5.5 V的寬電壓范圍內(nèi)變化輸入，靜態(tài)可實(shí)現(xiàn)功耗低于2 mA，本身帶有的溫度傳感器可以對測距結(jié)果進(jìn)行精準(zhǔn)糾正，同時它還具備GPIO、串口觸發(fā)等通信方式，內(nèi)部自帶看門狗，工作時性能穩(wěn)定。

通過超聲波發(fā)射儀發(fā)出多波束聲納，利用回聲定位原理來確定地面、水下障礙物，之后再通過超聲波接收儀對被障礙物反彈回來的來自各個方向的回波進(jìn)行收集處理。由于超聲波具有方向性好穿透力強(qiáng)，在水中傳播距離遠(yuǎn)且容易集中收集的特點(diǎn)，故而用來進(jìn)行水下地形測繪將會非常合適。

2.3 照明與攝像系統(tǒng)

測繪新技術(shù)所用機(jī)架一側(cè)安裝超聲波地形測量儀以及照明和攝像系統(tǒng)，該超聲波地形測量儀包括一個帶有電源的控制電路，該控制電路與超聲波收發(fā)電路連接，控制電路還與用于接收地面遙控系統(tǒng)信號的機(jī)載無線信號收發(fā)模塊連接，攝像和照明系統(tǒng)通過超聲波地形測量儀的控制電路連接。本優(yōu)選方案主要是用于昏暗環(huán)境(比如山洞、隧道等環(huán)境)的地形測繪。

2.4 協(xié)助處理控制芯片與飛行控制芯片

以前的信息采集系統(tǒng)存在非常多的不足，如信息受機(jī)身姿態(tài)影響溫漂大，信息采集速率慢、精度低且存在對信息的整合不全的問題，故而我們采用C8051F020單片機(jī)用來把模擬量直接轉(zhuǎn)換為數(shù)字量傳給主AVR單片機(jī)[2]，電路簡單實(shí)用，操作方便，精度高且采集速率快，并且通過RS 422通信模塊與穩(wěn)定平臺通信，故抗干擾性得到加強(qiáng)。

系統(tǒng)由晶體、RS 422通信模塊、飛行控制芯片、主AVR單片機(jī)、C8051F020單片機(jī)及電源模塊等部分組成。外部電源規(guī)定為+28 V，經(jīng)過電源模塊變換后輸出+5 V，直接給MAX490芯片和操縱桿穩(wěn)定供電。因?yàn)閱纹瑱C(jī)需要3.3 V的電源才能工作，因此，需要將+5 V電源經(jīng)三端穩(wěn)壓器LT1117-3.3 V變壓之后供給單片機(jī)使用。然后把操縱桿模擬信號(經(jīng)過電壓調(diào)制后的)連接到單片機(jī)的ADC輸入端口上，啟動單片機(jī)內(nèi)部的A/D轉(zhuǎn)換電路，將其轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號然后存儲到內(nèi)存。最后，按照系統(tǒng)規(guī)定的通信格式，通過單片機(jī)的MAx490芯片和串口將信號發(fā)送給穩(wěn)定平臺，來實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定平臺的操縱控制過程。新技術(shù)設(shè)計(jì)采用PIXHAWK飛行控制芯片，該控制芯片外設(shè)和總線都根據(jù)要求引出，不但以后可以根據(jù)其他要求兼容一些其他外設(shè)，還對于有開發(fā)能力的其他用戶也提供了方便。 PIXHAWK是一個具備雙處理器的飛行控制器，一個擅長于強(qiáng)大運(yùn)算的 32 bit STM32F427 Cortex M4 核心 168 MHz/256 KB RAM/2 MB Flash 處理器，它的特點(diǎn)是安全穩(wěn)定，就算主處理器死機(jī)了，協(xié)作處理器依然能夠繼續(xù)工作。

3 超聲波測繪新技術(shù)軟件系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

軟件系統(tǒng)主要的作用是維持飛行器飛行過程穩(wěn)定與功率穩(wěn)定，以防止在強(qiáng)風(fēng)環(huán)境下無人機(jī)機(jī)身搖擺不定影響測量數(shù)值，飛行程序主要是對飛行器驚醒偏差調(diào)整[3]，以使飛行器穩(wěn)定懸停及飛行或停在預(yù)定位置。

3.1 飛行器軟件程序工作實(shí)現(xiàn)

3.1.1 測繪飛行器方向AVR單片機(jī)初始化啟動

測繪飛行器方向AVR單片機(jī)初始化啟動后利用發(fā)射和接收超聲波時間差計(jì)算出水平距離再把數(shù)據(jù)信息發(fā)送給主AVR單片機(jī)并不斷進(jìn)行此過程。主AVR單片機(jī)初始化完成后通過IIC方式接收水平方向距離信息之后向AVR發(fā)送數(shù)據(jù)，之后將水平距離數(shù)據(jù)進(jìn)行整合，將水平距離數(shù)據(jù)通過串口通信方式發(fā)送到主飛行控制芯片中，并不斷進(jìn)行此過程。高度AVR單片機(jī)初始化完成，通過發(fā)送超聲波并接受反射超聲波，利用時間差計(jì)算出距離數(shù)據(jù)，將高度距離數(shù)據(jù)通過IIC方式發(fā)送到飛行控制芯片中，并不停進(jìn)行此過程。

3.1.2 飛行控制芯片進(jìn)行姿態(tài)調(diào)整實(shí)現(xiàn)

飛行控制芯片進(jìn)行姿態(tài)調(diào)整實(shí)現(xiàn)主要包括：飛行控制芯片傳感器、參數(shù)進(jìn)行初始化電調(diào)節(jié)鎖以及陀螺儀、加速度計(jì)等傳感器數(shù)據(jù)收集并接收、處理控制芯片距離數(shù)據(jù)，采集數(shù)據(jù)與設(shè)定值進(jìn)行偏差計(jì)算再輸出相應(yīng)PWM波，電調(diào)電流放大之后無刷電機(jī)輸出相應(yīng)功率轉(zhuǎn)速來達(dá)到姿態(tài)調(diào)整，通過不斷進(jìn)行此過程，從而達(dá)到全過程姿態(tài)調(diào)整目的。

4 系統(tǒng)創(chuàng)新及難題解決

在航道測量、江河湖泊的水文調(diào)查以及港口、隧道、大橋等的建設(shè)中需要對昏暗地理環(huán)境及水下地形進(jìn)行準(zhǔn)確測量。而在水下地形是多變的無法通過人眼清晰判斷，因此，不能像平常測圖一樣，依據(jù)地形特征進(jìn)行逐點(diǎn)測繪；昏暗環(huán)境亦是常規(guī)儀器無法準(zhǔn)確測量的，而采用超聲波可以較好解決此類問題，它具有方向性好、穿透能力強(qiáng)、靈敏度高、檢驗(yàn)速度快、對人體無害等特點(diǎn)，并且可以在不同介質(zhì)中傳播。因超聲波的此類特性，使其廣泛地應(yīng)用于多個領(lǐng)域的檢測和測量，如超聲波測距地、地下形貌測量，于是測深儀成為了現(xiàn)代的主要測深方法，它能根據(jù)回波時間和聲速來確定被測點(diǎn)的水深，通過水深的變化了解水下地形情況。

為了能適用于更復(fù)雜的環(huán)境，新技術(shù)采用的新型儀器整體設(shè)計(jì)理念為一種用于山地、水下或昏暗環(huán)境的超聲波地形測繪飛行器。在提高精準(zhǔn)度上，作為優(yōu)選，新技術(shù)中的飛行器采用基于超聲波的四旋翼室內(nèi)定位方法，隨著時代科技的進(jìn)步，四旋翼飛行器在多方面得到廣泛運(yùn)用，基于超聲波的四旋翼室內(nèi)定位方法也就是利用機(jī)載超聲波傳感器，達(dá)到發(fā)射和接收超聲波的作用，并使用AVR單片機(jī)計(jì)算飛行器在各個方向與障礙物之間的距離，最后將AVR單片所計(jì)算距離數(shù)據(jù)發(fā)送到PIXHawk飛行控制芯片，進(jìn)行四旋翼飛行器姿態(tài)控制和偏差調(diào)整，實(shí)現(xiàn)四旋翼飛行器的精確定位。在攝像方面，人工視覺的攝像頭已經(jīng)不能滿足現(xiàn)階段社會的需求，它對光線有著較高的要求，當(dāng)出現(xiàn)光線偏暗或明暗變化較快時，數(shù)據(jù)采集難度會上升，甚至出現(xiàn)誤采和無法采集的情況，另一方面，如果攝像頭數(shù)據(jù)量采集過大，運(yùn)算處理時間會較長，從而數(shù)據(jù)實(shí)時性失去了可靠的保障[4-5]，而超聲波技術(shù)則克服了此類問題，它具有不受光線影響、數(shù)據(jù)處理簡單、精度高、成本低廉、應(yīng)用便捷等優(yōu)點(diǎn)，在測繪與定位領(lǐng)域得到廣泛青睞。

本實(shí)用新型儀器配搭超聲波地形測量儀、攝像系統(tǒng)，將現(xiàn)有的超聲波水下地形測量儀進(jìn)行了適當(dāng)改造后搭載到旋翼飛行器上，采用了無線連接的方式來實(shí)現(xiàn)操作，把不需要搭載在飛行器上的部分給脫離出來，減輕四旋翼飛行器的負(fù)載。在設(shè)計(jì)上采用矩形平面設(shè)計(jì)和四角支撐腳相結(jié)合最大限度上增加了水、地面接觸面積，為測量飛行器的安全性和數(shù)據(jù)有效性增添了一份有力保障，而支撐腳末端的氣囊設(shè)置則進(jìn)一步擴(kuò)大了儀器的環(huán)境適應(yīng)性和實(shí)用性，克服了現(xiàn)有的超聲波水下地形測量儀的限制，可用于山地、水下的地形測繪。不僅如此，本實(shí)用新型儀器照明和攝像系統(tǒng)與超聲波地形測量儀的控制電路連接，遙控系統(tǒng)中的計(jì)算機(jī)通過軟件將所采集數(shù)據(jù)繪制成地形圖[7]然后顯示出來，也可以同時顯示照明和攝像系統(tǒng)傳輸過來的視頻信號，從而此款飛行器更能適應(yīng)于山洞、隧道等昏暗環(huán)境。

5 結(jié) 論

我國地域遼闊,海域?qū)拸V,自然條件復(fù)雜多樣,伴隨著國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,水利工程、鐵隧、橋梁等基本建設(shè)的需要,水下地形測量順勢必然會有著新的要求,這時就需要適合各種情況的測深儀應(yīng)運(yùn)而生。而本款飛行器則是為解決難題而生，它是一種用于山地、水下或昏暗環(huán)境的超聲波地形測繪飛行器，適用于水陸空三種環(huán)境的飛行器，它的產(chǎn)生極大地解決了復(fù)雜環(huán)境測繪難題，脫離了限制，在水陸空三種環(huán)境皆可使用，僅用一款儀器就能適用于多種測量環(huán)境，不但在經(jīng)濟(jì)上節(jié)約了成本，在時間上也有節(jié)省，加快整體施工進(jìn)度。而機(jī)架設(shè)計(jì)有氣囊這一人性化的設(shè)計(jì)，加大了對飛行器的保護(hù)，從而延長使用壽命。采用超聲波測繪也提高了數(shù)據(jù)的精確性、實(shí)時性與可靠性；本款用于山地、水下或昏暗環(huán)境的超聲波地形測繪飛行器，是地形測繪的絕佳選擇。

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