四旋翼自主精準(zhǔn)降落平臺設(shè)計

引 言

四旋翼具有體型小、成本低、環(huán)境適應(yīng)力和反應(yīng)力強(qiáng)等特點(diǎn)，同時還具備高、廣視角等優(yōu)勢，被廣泛應(yīng)用于軍事、農(nóng)業(yè)、救援勘探、物流、航拍攝影等領(lǐng)域 [1]。因此，以四旋翼為典型的無人機(jī)家族成為未來通用航空業(yè)發(fā)展方向的代表，在近年來被賦予了更多的重定義與希望，甚至被認(rèn)為是國家經(jīng)濟(jì)增長的新動力之一。

相關(guān)統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，60% 以上的飛行事故都發(fā)生在起飛降落階段，而起飛降落階段中后者又超半數(shù)。究其原因，在降落過程中，飛行器被控量多、控制精度要求高，為飛行安全引入諸多不利因素 [2]。除飛行控制外，無人機(jī)的續(xù)航能力也是重要的技術(shù)性能之一。當(dāng)前無人機(jī)航模電池多為鋰電池， 其續(xù)航時間最長只能維持在 20 min 左右，這導(dǎo)致無人機(jī)作業(yè)時經(jīng)常需要多次起降進(jìn)行能源補(bǔ)充 [3]。傳統(tǒng)的有線充電方式使得充電過程變得復(fù)雜，同時反復(fù)的插拔會導(dǎo)致充電接口損壞。

在此背景下，針對無人機(jī)技術(shù)現(xiàn)階段存在的自主導(dǎo)航定位難、續(xù)航能力差等關(guān)鍵問題進(jìn)行研究，進(jìn)一步發(fā)掘四旋翼飛行器的潛力，提高其可靠性、自主性、易用性，降低安全風(fēng)險。本文提出的降落平臺較好地解決了小面積平臺上精準(zhǔn)降落和能源補(bǔ)充問題。

1 整體方案

針對無人機(jī)降落問題，本文提出一套全新的無人機(jī)自動降落流程 ：在傳統(tǒng)衛(wèi)星定位導(dǎo)航基礎(chǔ)上，提出采用“一發(fā)四收”超聲定位裝置對降落時段的無人機(jī)進(jìn)行實時精準(zhǔn)定位 ；并設(shè)計飛行輔助控制裝置，其上搭載 LoRa 無線通信模塊實現(xiàn)“機(jī) - 地”間坐標(biāo)信息傳輸后，進(jìn)而對降落過程實現(xiàn)專項輔助控制以及無人機(jī)厘米級的智能降落。

在精準(zhǔn)降落基礎(chǔ)上，為解決無人機(jī)能源問題，以提高能量補(bǔ)充效率為出發(fā)點(diǎn)，基于無線充電思想對降落平臺本身結(jié)構(gòu)做出調(diào)整。無線充電裝置相對于傳統(tǒng)有線裝置更加便捷， 省去了操作員插拔接線的多余工作同時也避免了可能出現(xiàn)的接口損壞等狀況。

2 整體設(shè)計

在整體方案的思想指導(dǎo)下，設(shè)計如圖 1 所示的降落平臺系統(tǒng)，其在傳統(tǒng)無人機(jī)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上還包括 ：“一發(fā)四收”超聲定位裝置的接收與發(fā)射部分、數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)站、飛行輔助控制裝置和無線充電裝置。

3 定位設(shè)計

當(dāng)前廣泛應(yīng)用于機(jī)載衛(wèi)星定位裝置的定位精度為 2 m 左右，僅僅能夠?qū)崿F(xiàn)無人機(jī)基本返航至操作員的可視距離或設(shè)定降落點(diǎn)數(shù)米的范圍內(nèi) [4]。這樣的結(jié)果顯然不能夠滿足具有面積限制或空間限制的降落需求，并且使無人機(jī)的回收變得十分困難，更談不上智能化、自主化。由此看來，選定合適精度的定位裝置并對運(yùn)動目標(biāo)的實時跟蹤定位是精準(zhǔn)降落導(dǎo)航的前提。

查閱大量資料文獻(xiàn)，比較多重定位手段后，本文決定采用超聲定位技術(shù)。當(dāng)前常見的超聲測距模塊多為“收發(fā)一體”。其測距原理為 ：計算超聲波從發(fā)射經(jīng)障礙物反射到最后接收的用時乘以時間所得值的半數(shù)來得到待測物體的距離[5]。通過實際試驗發(fā)現(xiàn)，單個超聲測距模塊具有精度高、質(zhì)量輕等優(yōu)勢，但卻可能因為所測距離為超聲波往返值而在遠(yuǎn)距離情況下時效性差，同時航模電池對超聲模塊過近易產(chǎn)生干擾。

綜上所述，在此以“收發(fā)分離”為思想，采用“一發(fā)四收” 超聲定位裝置。裝置采集實時坐標(biāo)，模擬實現(xiàn)對運(yùn)動無人機(jī)目標(biāo)實時定位與跟蹤，從而獲得運(yùn)動目標(biāo)的運(yùn)動參數(shù)及運(yùn)動軌跡，為完成更高一級任務(wù)打好基礎(chǔ)。

“一發(fā)四收”超聲定位裝置包括一個機(jī)載超聲波發(fā)射器和 4 個安裝在降落平臺的超聲波接收器，控制模塊被設(shè)置在平臺背面，如圖 2 所示。在降落階段，發(fā)射器與接收器構(gòu)成空間四棱錐?？刂颇K每隔 300 ms 向超聲發(fā)射器和接收器發(fā)送特定地址信息控制其工作并獲得 4 個所測距離值，即四棱錐棱長 ；可設(shè)定接收器兩兩間距為定值即四棱錐底邊長。此時四旋翼坐標(biāo)問題即轉(zhuǎn)換為已知四棱錐各邊長求四棱錐定點(diǎn)的幾何問題。

以左下角超聲接收器為原點(diǎn)建立圖 2 所示的空間直角坐標(biāo)系，以 S1，S2，S3 為例，列出以下三元二次方程 ：

同理對 S2，S3，S4 ；S1，S2，S4 ；S1，S3，S4 三組數(shù)據(jù)進(jìn)行計算，又可得到對應(yīng)的坐標(biāo) Point 2，Point 3，Point 4。將此四值進(jìn)行均值處理后可得到相對準(zhǔn)確的三維坐標(biāo)信息，被保存在控制模塊中。

4 控制單元設(shè)計

當(dāng)前，四旋翼的控制結(jié)構(gòu)一般為 ：接收機(jī)與遙控發(fā)射機(jī)以 2.4 GHz 無線通信方式傳輸信號，接收機(jī)與飛控有線連接。但基于降落過程專項單元專項控制的思想，筆者設(shè)置了嵌入式單片機(jī)作為飛控的輔助控制單元 ：將飛控與接收機(jī)通過STM32 單片機(jī)相連。在飛行輔助控制裝置與定位裝置的控制端間設(shè)置 LoRa 無線通信模塊，解決坐標(biāo)信息的“機(jī) - 地”傳輸 ；搭載 MPU6050 傳感器以實時獲取姿態(tài)角信息。三維坐標(biāo)信息（x，y，z）與姿態(tài)角信息（pitch，roll，yaw）兩組六項數(shù)據(jù)共同為無人機(jī)姿態(tài)控制提供更新變量，采用常見的無人機(jī)PID 控制算法即可實現(xiàn)對無人機(jī)降落階段的精準(zhǔn)控制 [6-7]。

作為飛行輔助控制裝置的核心，STM32 單片機(jī)通過定時器捕獲和輸出 PWM 波信號可實現(xiàn)對遙控器控制的接收機(jī)信號的獲取以及向飛控等輸出值的過程，即遙控飛行模式 ；以獲取到坐標(biāo)作為中斷觸發(fā)標(biāo)志，可切換至降落模式。

專項控制思路因并未對原有結(jié)構(gòu)本身做出改變，僅僅是在兩個原有模塊中增加了一個連接單元，所以幾乎適用于各類機(jī)型，通用性較強(qiáng)。優(yōu)化的無人機(jī)控制單元結(jié)構(gòu)圖如圖 3所示。

5 無線充電設(shè)計

在精準(zhǔn)降落的前提下，筆者在降落平臺上增加無線充電裝置以實現(xiàn)降落后無人機(jī)更加便捷地能量補(bǔ)充。當(dāng)前市面上的無線充電裝置種類繁多，其原理依據(jù)大都是以發(fā)射線圈和接收線圈諧振方式的磁傳輸 [8]。

降落平臺的中心部分被絕緣物質(zhì)圓形填充，避免耦合時導(dǎo)體材料的干擾 [9]。無人機(jī)電池與接收線圈相連，隨無人機(jī)精準(zhǔn)降落后與發(fā)射線圈對接，此時打開發(fā)射線圈的電源開關(guān)即可開始充電。此功能省去了操作員插拔接線的多余工作， 同時也避免了可能出現(xiàn)的接口損壞等狀況。無線充電原理圖如圖 4 所示。

6 實驗驗證

6.1 定位實驗

定位實驗時，在超聲波發(fā)射端采用獨(dú)立電源供電并單獨(dú)固定放置，如圖 5 所示。

定位具體步驟為 ：

(1) 將降落平臺垂直于桌面放置，即“一發(fā)四收”定位圖 8 多次降落點(diǎn)位置分布圖裝置的四個接收端所在平面垂直于桌面 ；

(2) 將單獨(dú)供電的超聲波發(fā)射端也垂直于桌面并使發(fā)射頭直射向四個接收端 ；

(3) 遵循之前設(shè)定的三維坐標(biāo)系，可通過測量方式較為準(zhǔn)確地給出當(dāng)前超聲波發(fā)射端在此坐標(biāo)系中的坐標(biāo)值，將定位裝置所測得的坐標(biāo)值與實測坐標(biāo)值比較并記錄 ；

(4) 調(diào)整超聲波發(fā)射端在上述坐標(biāo)系中的位置，重復(fù)步驟（3）以得到多組對比值，如圖 6 所示。

6.2 降落實驗

本文設(shè)計如圖 7 所示的平臺作為無人機(jī)降落后的支撐部分以及各模塊的搭載平臺。四個超聲波接收探頭嵌置于小圓孔下，且探頭通過小圓孔露出，同時保證探頭與平臺表面處于同一水平面。

為了保證降落實驗的安全性，采用 5 mm 牽引繩連接無人機(jī)機(jī)架并將另一端于地面固定。在平臺上不同的空位置開始降落，降落結(jié)束后測量無人機(jī)幾何中心相對降落平臺位置。 圖 8 為隨機(jī)放置無人機(jī)開始降落過程后，無人機(jī)最終降落點(diǎn)位置分布圖。顯然可以觀察到幾乎所有降落點(diǎn)都與降落閾值邊界所構(gòu)成的邊長為 2 cm 的正方形吻合，說明了定位裝置及降落算法的可行性。

7 結(jié) 語

本文設(shè)計一種以四旋翼無人機(jī)為對象的精準(zhǔn)降落平臺并能夠?qū)德浜蟮臒o人機(jī)進(jìn)行無線充電。通過理論分析和實驗驗證，本文的降落方案可行且定位裝置的實時精度可達(dá)毫米級，設(shè)置降落精度可達(dá)厘米級，同時平臺搭載無線充電裝置避免了有線充電方式繁瑣和反復(fù)插拔導(dǎo)致的接口損壞現(xiàn)象，提升飛行作業(yè)效率。以該降落平臺為基礎(chǔ)，可以發(fā)展包括車載無人機(jī) [10]、物流無人機(jī)、巡防無人機(jī)等眾多無人機(jī)產(chǎn)業(yè)，助力無人機(jī)技術(shù)和應(yīng)用的發(fā)展，具有廣闊的市場前景。