引言

隨著新型材料、機(jī)械電子、慣性導(dǎo)航系統(tǒng)及控制技術(shù)的發(fā)展進(jìn)步,加上四軸飛行器具有價(jià)格低廉、操作靈活、控制性能穩(wěn)定、適應(yīng)環(huán)境能力強(qiáng)及可避免人員傷亡的特點(diǎn),近些年其在軍事、民用領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。然而單架飛行器存在功能局限、負(fù)載有限及面對復(fù)雜環(huán)境時(shí)效率低下等問題,影響了多類任務(wù)的可執(zhí)行性以及完成度。近年來,國內(nèi)外許多專家學(xué)者研究發(fā)現(xiàn),借鑒自然界中生物群體的協(xié)調(diào)機(jī)制可以較好地解決上述問題。群體智能以及由此發(fā)展而來的機(jī)器人學(xué)均誕生于對動(dòng)物的研究,許多動(dòng)物群體所使用的協(xié)調(diào)機(jī)制已被證明可以用來解決多種復(fù)雜問題,如:蟻群算法、粒子算法等智能工程的設(shè)計(jì)靈感均來源于生物。而自然界中的魚群、鳥群、蜂群的集群行為對于無人機(jī)群的飛行控制極具啟發(fā)性。

在這一背景下,本文著力于本地通信和分布式控制來開發(fā)無人機(jī)群的協(xié)同系統(tǒng),通過將生物集群行為與機(jī)器人學(xué)相結(jié)合,設(shè)計(jì)一種動(dòng)態(tài)調(diào)整無人機(jī)編隊(duì)的系統(tǒng),使多架無人機(jī)自主以一種特定的結(jié)構(gòu)進(jìn)行三維空間排列,使其飛行過程中保持穩(wěn)定的隊(duì)列,并能根據(jù)外界情況和任務(wù)需求進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整,使得整個(gè)機(jī)群協(xié)同一致。

為進(jìn)一步深入研究和開發(fā)四軸無人機(jī)群的協(xié)同控制系統(tǒng),本文從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、系統(tǒng)開發(fā)與飛行測試三個(gè)方面進(jìn)行較為詳細(xì)的闡述。

1結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面,在現(xiàn)有的優(yōu)秀的四軸飛行器結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上,本文作適當(dāng)?shù)母倪M(jìn)以及傳感器設(shè)置,以更好地測試與檢驗(yàn)所開發(fā)的四軸無人機(jī)群的協(xié)同控制系統(tǒng)。如圖1所示,設(shè)計(jì)為一種微型的四軸無人機(jī),主要有五大部分:空心杯電機(jī)、旋翼、機(jī)架、飛行控制器以及光流傳感器。該四軸無人機(jī)以"x"模型為四旋翼模式,以指南針朝北方向?yàn)轱w行的正方向,如此統(tǒng)一正方向有利于更好地規(guī)劃編隊(duì)的三維空間排列以及快速進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整。飛行控制器里嵌合了3.7V的鋰電池、T0F（TimeofFlight）傳感器等,從而有效縮小了飛行器的體積。為使得無人機(jī)群能遵循規(guī)律地作出動(dòng)態(tài)調(diào)整,無人機(jī)的正下方設(shè)置了光流傳感器,通過光流傳感器可以有效抑制無人機(jī)的漂移,從而在飛行方向上趨于勻速移動(dòng)。

2系統(tǒng)開發(fā)

飛行控制器采用sTM32F4主控芯片,搭載Nuttx嵌入式操作系統(tǒng),保證了姿態(tài)解算、姿態(tài)控制、通信等復(fù)雜任務(wù)的實(shí)時(shí)有序執(zhí)行:地面站電腦端搭載Linux系統(tǒng),保證了實(shí)時(shí)檢測各個(gè)無人機(jī)的位置、動(dòng)態(tài)調(diào)整的策略能夠緊密執(zhí)行。使用2.4G無線數(shù)傳模塊、CRTP協(xié)議搭建無線通信鏈路,并解決多節(jié)點(diǎn)之間的通信以及通信沖撞問題,實(shí)現(xiàn)了無人機(jī)之間、無人機(jī)和地面站的穩(wěn)定通信。無人機(jī)定位方面,本文采用了T0F傳感器以及光流傳感器確定無人機(jī)的三維空間位置,T0F傳感器發(fā)出經(jīng)調(diào)制的近紅外光,遇到物體后反射,計(jì)算發(fā)射和反射的時(shí)間差,從而可以換算得出距離,以此確定無人機(jī)的高度。這種傳感器相較于傳統(tǒng)的氣壓計(jì)定高,更適用于小型無人機(jī),精確度更高,穩(wěn)定性也更好。光流傳感器是一個(gè)小型的圖像傳感器,將光流傳感器對著地面,通過檢測圖像中光點(diǎn)和暗點(diǎn)的移動(dòng),從而判斷圖像中像素點(diǎn)相對于飛行器的移動(dòng)速度,以此可以確定無人機(jī)的水平位置。每臺(tái)無人機(jī)上都搭載光流傳感器,解決了多無人機(jī)定位難的問題。在此基礎(chǔ)上使用編隊(duì)算法實(shí)現(xiàn)多架無人機(jī)直線陣形的編隊(duì)飛行,同時(shí)可以在Rviz仿真器上以不同顏色代表不同無人機(jī)的陀螺儀的狀態(tài)、電量等情況,以此判斷各臺(tái)無人機(jī)飛行的穩(wěn)定性,可以反映出編隊(duì)飛行整體狀態(tài)。

3飛行測試

如圖2～圖3所示,在室內(nèi)環(huán)境下進(jìn)行編隊(duì)測試,其中圖2表示兩架無人機(jī)由豎向直線陣型編隊(duì)自主變換為橫向直線陣型編隊(duì),變換的方式為以初始狀態(tài)下兩架無人機(jī)的距離為直徑、然后以圓弧線路進(jìn)行變換:圖3表示四架無人機(jī)由方陣編隊(duì)自主變換為直線陣型編隊(duì),變換方式為如圖4左側(cè)所示,以方陣的邊長為參考距離3,右邊兩臺(tái)向左平移參考距離的一半即3/2,左下角的無人機(jī)的移動(dòng)路線與左下角無人機(jī)和右下角無人機(jī)開始位置之間的連線形成609并向右下角移動(dòng)√53/2的距離:同理,左上角的無人機(jī)的移動(dòng)路線與左上角無人機(jī)和右上角無人機(jī)開始位置之間的連線形成609并向右上角移動(dòng)√53/2的距離。圖4的右側(cè)表示另一種編隊(duì)的動(dòng)態(tài)變換方法,即右邊兩臺(tái)無人機(jī)保持位置不變,左下角無人機(jī)以459方向向右下角移動(dòng)√23的距離:同理,左上角無人機(jī)以459方向向右上角移動(dòng)√23的距離。兩種編隊(duì)變換的方法對比,圖3的編隊(duì)變換方法即圖4左側(cè)的方法所花費(fèi)的時(shí)間更少,因?yàn)榍罢咧换ㄙM(fèi)了移動(dòng)√53/2距離的時(shí)間,在完成移動(dòng)√53/2距離時(shí),3/2的距離已提前完成移動(dòng):然而后者需要花費(fèi)移動(dòng)距離√23的時(shí)間,因此前者的編隊(duì)變換方式更佳。

綜上所述,本文所設(shè)計(jì)的四軸無人機(jī)群的協(xié)同控制系統(tǒng)能滿足預(yù)期的效果。

4結(jié)語

本文所開發(fā)的四軸無人機(jī)群協(xié)同控制系統(tǒng),通過算法同時(shí)協(xié)調(diào)無人機(jī)群的活動(dòng),實(shí)現(xiàn)目標(biāo)任務(wù)。與傳統(tǒng)的單一無人機(jī)系統(tǒng)相比,它具有魯棒性、可擴(kuò)展靈活性等優(yōu)勢,在協(xié)同偵察、作戰(zhàn)防御及噴灑農(nóng)藥等軍事與民用領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用前景。