基于四旋翼無人機的搜尋與探測系統設計

徐 光，葉 明，王慶豐，于 燁

(1.海裝駐上海地區第十軍事代表室，上海 201800；2.上海微波設備研究所，上海 201802；3.中國科學院微電子研究所，北京 100029；4.中國科學院大學微電子學院，北京 100049)

0 引 言

隨著科學技術的飛速發展，無人機的應用領域越來越廣泛。近年來，由于這項技術的日臻完善，使其在社會的諸多領域發揮著重要的作用。無人機具有操作簡單，方便靈活，體積小巧，功能多樣，成本較低，野外生存率高等優點，在野外搜救、高空航拍、勘探測繪、氣象探測、森林防火巡視等諸多領域得到了廣泛的應用[1]。在當今國際社會，無人機技術的發展象征著國家科學技術的進步，并且無人機的發展促進了社會生產力的提高，因此近幾年無人機技術的發展得到了國家的高度重視?；诖?，本文設計了一款適用于野外搜尋與探測的無人機飛行系統。該款四旋翼飛行器具有環境適應能力強、穩定性高和易于控制等優勢。

1 系統總體設計方案

該系統使用STM 32作為核心處理器，該處理器基于ARM Cortex-M3內核架構，具有低成本、低功耗和高性能的優勢。系統通過移植UCOS-III實時操作系統，提高了運行效率及實時處理能力[2-4]。

硬件電路上，系統由飛行系統、遠程控制系統兩部分構成。

飛行系統的外圍硬件電路主要包括陀螺儀MPU6050、氣壓傳感器MS 5611、無線通信模塊、GPS模塊、液晶OLED模塊、攝像頭模塊、超聲波避障模塊、電子調速器和電源電路等。陀螺儀MPU6050用于反饋飛行器的姿態角位置信息，氣壓傳感器MS5611用于檢測飛行器所處高度的氣壓值， 2.4 GHz無線模塊用于控制飛行器的穩定飛行， 5.8 GHz無線模塊用于實現圖像數據的實時傳輸， GPS模塊用于獲得實時定位信息及一鍵返航功能，攝像頭模塊和液晶OLED模塊用于將飛行器捕捉的畫面信息顯示給地面控制， 現場可編程門陣列(FPGA)芯片用于實現圖像壓縮編碼算法，超聲波模塊用于進行實時避障，電子調速器用于實現飛行器變速功能，電源電路用于提供模塊所需的電源電壓。其中，主控芯片STM 32與FPGA、GPS連接，均采用串行接口的連接方式；傳感器與控制芯片的連接，采用集成電路(IIC)總線接口的連接方式；STM 32與電子調速器之間傳遞脈沖寬度調制(PWM)控制信號。飛行系統結構如圖1所示。遠程控制系統的外圍硬件電路包括2.4 GHz無線接收模塊、5.8 GHz無線發送模塊、下位機電路和下位機與上位機的接口電路等，遠程控制系統結構如圖2所示。通過系統之間組合，實現定點、定高飛行及全自動探測功能。

圖1 飛行系統結構框圖

圖2 遠程控制系統結構框圖

在軟件及算法實現上，該系統采用四元數加互補濾波器作為姿態解算算法[5]，采用經典的比例積分微分(PID)控制器控制舵機和無刷電機[6]，采用MPEG-4圖像壓縮編碼算法，使用C++設計并且實現了用于控制及數據采集的上位機程序，方便系統調整參數及數據整合。

2 系統硬件設計

2.1 電源電路設計

由于飛行器的設計要求，本系統需要控制其整體重量。因此，在電池選取上，優先考慮體積小、重量輕，容量較大的鋰電池。系統的控制芯片為STM32，其所需的供電電壓為3.3 V,同時傳感器MPU 6050、MS 5611均采用3.3 V電壓供電，FPGA為ALTERA公司生產的Cyclone IV系列芯片EP4CE6E22C8，它需要3.3 V、2.5 V、1.2 V 3種供電電壓。其他模塊，如GPS模塊、OLED模塊等均使用5 V電壓供電。

電池使用25C 5 000 m Ah的4 S鋰電池，電池供電電壓為14.8 V。因此，為了系統各模塊的正常工作，本系統將鋰電池的電壓調到各模塊工作的正常電壓范圍內。通過綜合考慮本系統多電平的供電要求及系統設計的便利性，該系統的電源電路采用LM1117-1.2、LM1117-2.5、LM1117-3.3和LM2940-5等4種穩壓芯片。鋰電池電壓經過LM2940-5芯片降到5 V后，再分別使用LM1117-1.2、LM1117-2.5、LM1117-3.3等芯片將5 V電壓降為1.2 V、2.5 V和3.3 V。

2.2 主控模塊電路設計

飛行器的核心是主控模塊，它應能采集多路模擬信號，輸出PWM脈沖控制信號，并具有脈位調制(PPM)信號捕獲解碼的能力。另外，它還應具有FPGA的交互接口、傳感器數據的傳輸接口和多個通信的信道接口。因此，綜合各方面因素考慮，采用STM 32作為控制的核心芯片，該芯片功耗低，穩定性好，運算處理能力強，并且具有多種接口標準，完全符合本系統設計的要求。

2.3 圖像處理模塊電路設計

在視頻傳輸系統中，最大的障礙是大數據量的處理，一般單片機處理速度達不到這么高的要求，因此對芯片的處理能力提出了更高的要求。綜合各方面的考慮，本系統使用ALTERA公司生產的Cyclone IV系列芯片EP4CE6E22C8，該款芯片性價比高，以硬件實現壓縮編碼算法，完全能夠滿足本系統的設計要求。攝像頭采用ALIENTEK生產的一款200 W高清攝像頭模塊，數字攝像頭采集的數據為 8-bit RAW格式的原始數據。

2.4 數據采集模塊電路設計

飛行器通過陀螺儀MPU 6050獲取姿態角數據，為了提高數據的可靠性，本系統使用俯仰角與橫滾角同時作為姿態反饋，形成一個閉環控制回路[7-9]。為了提高它的穩定性，系統加入角速率反饋來增加系統阻尼[10]。采用氣壓傳感器MS 5611實現飛行器的定高功能，采用超聲波模塊完成實時避障，遇障礙物報警。飛行器的精確位置信息可以通過GPS模塊獲取。

2.5 執行機構驅動模塊

在傾斜狀態下，飛行器需要在最短時間內回到平衡狀態，這對執行機構的反應速度要求比較高。針對本系統的研究，采用電子調速器控制無刷電機的運轉，本系統使用的電子調速器模塊采用的是PWM信號，它的周期時長為20 ms。

3 系統軟件設計

3.1 軟件設計流程

本系統的軟件部分采用C語言編寫，完成了硬件平臺的初始化狀態。通過數據采集和信號解碼，更好地實現了姿態角的解算。主程序的流程如圖3所示。

圖3 主程序流程圖

在解算姿態角時，本系統將其融合遙控信息后，進行完整的解算和分析，以完成飛行器的控制。

3.2 控制算法設計

在控制器方面，系統選擇PID控制器。PID控制器的參數是可調節的[11]，對于所使用的對象沒有局限性，因此可以高效精確地分析模型。通過PID控制器可以較好地整合比例、微分和積分三個方面的參數設定，以達到最佳控制效果。PID控制表達式如下：

(1)

式中：kp為比例增益；Ti為時間積分常數；Td為時間微分常數；u(t)為輸出變量；e(t)為偏差數量。

在姿態角的控制上，系統將遙控器信號轉換成1個角度，并與解算出的測量角進行作差計算，得到偏差，最后將偏差乘以1個比例系數。由于任何一個系統都不可能非常精確，都會有一定的誤差，所以利用積分減少穩態誤差。為了解決設定值不規則變化可能給系統帶來的不良影響，系統在姿態角計算上引入了PID算法，通過對陀螺儀角速度進行微分處理，而不是對設定值進行微分處理。因此，在設定值發生變化時，輸出量也不會發生改變，極大程度地改善了其性能。姿態控制系統如圖4所示。

設定3個控制量，分別為俯仰、橫滾和航向，并將其分別輸入到PID控制器中，則會得到3個輸出：pid_roll，pid_pitch，pid_yaw。

通過線性運算，部分代碼如下：

#define PIDMIX (X,Y,Z) Motor_Thr + pid_pitch* Y+ pid_roll*X + pid_yaw*Z

MOTOR1=MOTORLimit(PIDMIX(+1,+1,-1));//REAR_R 后右電機

MOTOR2=MOTORLimit(PIDMIX(-1,-1,-1));//FRONT_R 前右電機

MOTOR3=MOTORLimit(PIDMIX(-1,+1,+1));//REAR_L 后左電機

MOTOR4=MOTORLimit(PIDMIX(+1,-1,+1));//FRONT_L 前左電機

圖4 姿態控制系統框圖

3.3 圖像壓縮算法設計

本系統在圖像壓縮算法上，根據設計需求，采用經典的MPEG-4圖像壓縮算法實現[12]。同時在圖像壓縮算法上，既要對外圍的硬件電路進行設計，也要完成相關軟件的設計。圖5為基于FPGA的MPEG-4編碼系統框圖。

圖5 基于FPGA的MPEG-4編碼系統框圖

傳統的解決方案是通過提高處理器的時鐘頻率，但隨著時鐘頻率的提高，系統功耗也會相對增大，因此傳統方法很難達到對圖像處理的要求。所以，為了降低功耗，提高壓縮效率，在視頻壓縮算法中引入流水線處理的思想，將一系列的視頻壓縮算法分割成不同模塊，每個模塊的操作都獨占一個處理單元，并與其他模塊在計算時間上互不相干，這是一種時間并行的處理思想。在視頻壓縮算法中，同樣引入圖像分割的概念，分割后的數據會及時分配給一個處理單元，可以避免算法中像素點重復運算和多像素相同運算的問題。

4 系統調試

4.1 姿態角調試

本系統采用串口傳輸協議將解算出的數據傳輸到上位機進行姿態角的調試，通過四軸機體的搖動，可以得到如圖6所示的上位機數據曲線與姿態示意圖。

圖6 上位機數據曲線與姿態演示圖

在圖6中，曲線1代表俯仰，2代表橫滾角，3和4為姿態解算前后的姿態角。通過圖中曲線可以看出直接由加速度計算出的姿態角并不能真實反映變化情況。但是，由四元數算法解算后的姿態角反應較快，噪聲較小。

4.2 PID參數調節

PID的參數調節直接影響到該系統的控制效果。在該系統中采用湊試法進行PID參數設定。湊試法是一種通過實際閉環系統觀察系統響應曲線的方法。在本系統中，通過觀察被調量、PID輸出、設定值3條曲線，判斷出kp、ki、kd對系統響應的影響，反復調試，最終達到滿意響應，從而達到確定控制參數的kp、ki、kd的目的。在參數調節過程中遵循以下原則:

(1) 在輸出不振蕩時，增大比例增益P。

(2) 在輸出不振蕩時，減小積分時間常數Ti。

(3) 在輸出不振蕩時，增大微分時間常數Td。

(4) 一般步驟如下：

Step 1:確定比例增益P；

Step 2:確定積分時間常數Ti；

Step 3:確定微分時間常數Td；

Step 4:系統空載、帶載聯調，再對PID參數進行微調處理，直至滿足我們的要求。

(5) 最終調試好的結果是有一個階躍響應，響應由一大一小2個波組成，小波是大波的四分之一。

具體操作如下：

首先，將四軸固定在平衡臺上，讓飛行器獨立完成單軸平衡，觀察姿態角的穩定性、響應性和操縱性。然后，在調整參數時，應先調P，然后將I、D設定為0。先給P賦一個小值P1，如果飛行器不能夠穩定下來，則說明P1太小了。然后接著賦值一個較大的數P2，如果飛行器產生震蕩，則說明P2增大了。經過反復試驗，可以找到P震蕩的臨界點P0。最后，保持P0不變，按照上述調節P的方法來調節D。當找到合適的P0、D0后，再加入I，參數從小到大，當誤差較小時，我們再對P、I、D3組參數在小范圍內微調，從而完成整個PID參數的設定，得到PID的參數值，如表1所示。

表1 PID參數調節

5 結束語

本文設計了一款適用于野外搜尋與探測的無人機飛行系統。該飛行系統通過2.4 GHz遙控器控制飛行器遠距離飛行，飛行器的飛行比較穩定，實現了遠距離的搜尋與探測功能，而且飛行器有報警、障礙物躲避及氣壓計定高等功能，通過自動增穩算法調節飛行器的運動參數，極大地提高了飛行器的安全性和穩定性，使其能夠適應極其惡劣的環境。在遇到緊急情況時，通過GPS實現飛行器定位功能，使用路徑搜索算法，實現了GPS一鍵返航功能，防止飛行器在野外墜落和丟失。此外，該飛行系統圖像遠距離傳輸效果比較好，抗干擾能力強。即使在惡劣的環境也不會影響視頻傳輸的質量。圖像傳輸系統帶有兩軸云臺，實現了2個方向的多角度探測功能，并且云臺自帶增穩功能，極大地消除了攝像頭機械抖動對視頻圖像質量的影響。