基于激光测距仪的四轴飞行器室内智能避障飞行
基于激光测距仪的四轴飞行器室内智能避障飞行
作者:杨盛 ;秦世伟 ;刘佳雯
四轴飞行器是一 种结构新颖、飞行方式独特、性能卓越的可垂直升降多旋翼飞行器。由于其优良的控制性和灵活性,在航拍、遥感探测、灾难营救、考古等领域有巨大应用空间。特别是在较狭窄的空间执行任务时,四轴飞行器能够在很小的空间内完成垂直起降 、目标上空悬浮及全方向飞行,在执行监视 、探查任务较其他类型无人驾驶飞行器更占优势。近年来,随着电子技术、微机电技术、计算机技术、自动控制技术突飞猛进的发展,以及高速低功耗的嵌入式微处理器的普遍应用,四轴飞行器的研究和开发有了重大的突破,并相继涌现许多优秀作品,如:DraganFlyer四轴飞行器,大疆公司的Phantom 、筋斗云等系列。当前无人机系统技术发展的任务需求包括:有效载荷 、续航时间模型建立 、抗干扰能力、以及环境识别和自主避障等。其中飞行器在自主导航过程中对障碍物方位的判断和避障是 一 个重要的问题。本文通过基于激光测距仪对四轴飞行器进行设计与研究,实现了四轴飞行器的自主避障飞行,这对于灾难营救 、考古探测、军事打击等领域具有广泛的应用前景和意义。
1系统总体框架
设计总方案包括飞行主控系统 、自稳系统、环境扫描系统、地面站四大系统。其中,四轴飞行器自稳系统尤为重要,它包括姿态控制高度控制和位移控制。姿态控制指由飞行器通过惯性测量单元(Inertial Measurement Unit,IMU)姿态解算后进行PID控制,实现自身最小化倾斜;高度控制是指飞行器利用激光得到高度后,实现飞行器定高悬停;位移控制是指利用测光测距仪扫描场景图像,传回电脑后提取地面参考系,然后再由飞行器利用得到的位移与参考点对比后作出控制,实现飞行器最小范围内水平飘移,最终实现飞行器的避障飞行。
2系统硬件设计
系统硬件系统主要包括电源模块、主控制器、电调电机动力模块、姿态传感器模块、自主避障模块和无线传输模块等。每个模块在整个机体平台上都起着至关重要的功能。处理器通过整合各个模块的功能来实现系统的悬停和飞行控制功能、上位机通过室内扫描信息,以致最终实现四轴飞行器室内自主避障飞行。
(1)电源模块:主要为控制器和电机等各个模块提供能量,保证飞行器持续飞行。
(2)主控制器:是系统的核心器件,主要作用是控制各个模块和协调系统正常工作。控制器不断地进行数据处理,获取系统控制所需的信息,发出控制指令。
(3)电调电机动力模块:是为飞行器提高动力,通过电机控制螺旋桨使飞行器才有可能实现起飞功能。
(4)姿态传感器模块:是为姿态控制准备,通过陀螺仪、加速度让磁力计等传感器,测量获取飞行器的一个飞行姿态数据。从而取得准备的飞行器的位置以及其俯仰角,横滚角和偏航角。
(5)自主避障模块:通过发射经过调制的红外激光信号,该激光信号在照射到目标物体后产生的反光将被激光测距仪的视觉采集系统接受。如果检测到障碍物,将会将信号送入单片机进行处理而做出方向调整。
(6)无线传输模块:通过无线蓝牙作为信息传输桥梁,进行飞行器与电脑上位机之间的信息的传输和通信。
3系统软件设计
系统上电之后,首先进行系统自检,硬件初始化处理,设置中断,系统设计lms、2ms、4ms等中断计时器,不断地执行中断程序,采集信号处理并通过无线传回电脑上位机。
4结语
四轴飞行器是一 种结构新颖、飞行方式独特、性能卓越的可垂直升降多旋翼飞行器。由于其优良的控制性和灵活性,在各个领域应用都非常广泛。本项目针对小型四轴飞行器,以STM32F407单片机为核心,设计了自主避障飞行的硬件和软件系统,进而实现了基于激光测距仪的四轴飞行器室内自主避障飞行。主要总结如下:
(1) 改变了传动四轴飞行器受人为操控的方式。在四轴飞行器飞行中,自主避障飞行,自主传输数据,这样使得四轴飞行器的飞行更加自主和灵活;
(2)充分发挥无人机的探测价值,并利用少量的组件,实现了对周围环境任意点处数据的近实时获取;
(3)通过接入人为监控的方式,扩大的数据处理和可用的范围。
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