程子龍 李鵬展 劉 佳 ，2

（1.天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)自動化與電氣工程學(xué)院，中國 天津 300000；2.天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)天津市信息傳感與智能控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，中國 天津 300000）

0 引言

無人機(jī)近幾年來逐漸出現(xiàn)在大眾的視野中， 從剛開始的保持飛行穩(wěn)定， 再到GPS 以及視覺定位， 以及現(xiàn)在比較火熱的無人機(jī)壁障， 無人機(jī)技術(shù)在飛速的發(fā)展著，本文就以四軸F450 無人機(jī)為例，簡述無人機(jī)壁障的原理以及實(shí)現(xiàn)方法。

1 無人機(jī)壁障系統(tǒng)的整體簡述

1.1 無人機(jī)運(yùn)行過程及其信號傳遞

一架多軸無人機(jī)運(yùn)行時至少需要兩個部分， 一是安裝了自動駕駛儀的多軸機(jī)體， 包含電機(jī)電調(diào)以及機(jī)架等部分，二是無線遙控裝置，通常來說，無人機(jī)駕駛員在地面使用無線遙控裝置對無人機(jī)下達(dá)飛行命令，無人機(jī)接受命令后執(zhí)行具體任務(wù)， 實(shí)際情況中遙控裝置并非直接和自動駕駛儀直接通訊， 而是需要通過接收機(jī)進(jìn)行命令的傳遞， 接收機(jī)需要和遙控器進(jìn)行對頻， 對頻成功后安裝在無人機(jī)上， 其輸出端通過信號線與自動駕駛儀的輸入端連接，二者之間使用PWM 信號傳遞數(shù)據(jù)，如圖1 所示：

圖1 無人機(jī)信號傳遞過程

1.2 信號含義

由此我們可以了解到無人機(jī)正常工作時信號的傳遞過程， 其中接收機(jī)與自動駕駛儀之間至少有5 個命令通道：

（1）thrust 拉力通道， 用來控制無人機(jī)整體拉力大小。

（2）yaw 偏航通道，用來控制無人機(jī)機(jī)頭的朝向。

（3）pitch 俯仰通道， 用來控制無人機(jī)俯仰角的大小。

（4）roll 橫滾通道， 用來控制無人機(jī)橫滾角大小的通道。

（5）mode 飛行模式通道，用來設(shè)置飛行模式，一般的自動駕駛儀具有自穩(wěn)、定高、定點(diǎn)等功能。

了解了各通道的作用后我們知道了通過pitch 通道和roll 通道可以控制無人機(jī)的前進(jìn)、后退、左移、右移，那么就可以通過改變這兩個通道的輸入值來實(shí)現(xiàn)無人機(jī)的壁障動作。

2 壁障模塊的設(shè)計(jì)

2.1 壁障系統(tǒng)工作原理

本文以超聲波測距模塊，ATMEGA2560 單片機(jī)為例， 壁障模塊需要安裝在接收機(jī)和自動駕駛儀之間，如圖2 所示：

圖2 無人機(jī)避障模塊位置示意圖

即壁障模塊讀取接收機(jī)輸出的pitch 和roll 信號，同時根據(jù)四面超聲波傳感器所測得的距離， 將計(jì)算出的pitch 和roll 信號輸出給自動駕駛儀， 實(shí)現(xiàn)無人機(jī)在無人工干預(yù)的情況下實(shí)現(xiàn)自動壁障的效果。

2.2 模塊設(shè)計(jì)要求

（1）體積和質(zhì)量應(yīng)控制在無人機(jī)可載重范圍內(nèi)，否則可能會影響無人機(jī)的正常飛行以及續(xù)航時間。

（2） 信號的輸入與輸出應(yīng)按信號特點(diǎn)接入上拉或下拉電阻， 保證模塊運(yùn)行時的穩(wěn)定性以及防止傳感器未接入時數(shù)據(jù)出現(xiàn)巨大誤差。

2.3 模塊工作流程

由于篇幅所限，本文不在此給出詳細(xì)程序，僅給出模塊工作流程作為參考，具體流程如圖3 所示：

安全起見， 實(shí)際的設(shè)計(jì)過程中通常會使用一個單獨(dú)的通道控制壁障模塊的工作狀態(tài)， 當(dāng)工作在壁障模式的時候，輸出給自動駕駛儀的信號是根據(jù)輸入信號和傳感器信號進(jìn)行計(jì)算所得到的，工作在非壁障模式的時候，輸出信號即為輸入信號，此時的無人機(jī)不具有壁障功能，無人機(jī)駕駛員可根據(jù)具體情況決定壁障模塊是否介入飛行系統(tǒng)。

圖3 模塊工作流程

3 注意事項(xiàng)

此系統(tǒng)在實(shí)際使用的時候需要注意以下幾點(diǎn)：

（1） 超聲波模塊對于較大體積的障礙物識別率較高，對細(xì)小的障礙物，如電線、細(xì)樹枝等識別率較低，實(shí)際飛行過程中同樣需要無人機(jī)駕駛員認(rèn)真觀察無人機(jī)周圍情況，以免發(fā)生意外。

（2） 考慮到超聲波傳感器可能在一些復(fù)雜的環(huán)境中出現(xiàn)干擾的情況， 所以每個傳感器應(yīng)該輪流單獨(dú)工作，不可同時工作。

（3）壁障模塊工作在壁障模式時，需要進(jìn)行數(shù)據(jù)的讀取以及計(jì)算等工作， 所以信號傳輸速度相較于不使用壁障模塊的情況下有幾十毫秒的延遲，對于F450 等機(jī)型的飛行效果幾乎沒有影響，實(shí)際使用過程中幾乎無法察覺。

4 總結(jié)

本文以四軸F450 無人機(jī)為例，研究了無人機(jī)壁障系統(tǒng)的設(shè)計(jì)問題。 首先簡述了無人機(jī)壁障系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)， 然后研究了壁障系統(tǒng)的工作原理， 壁障模塊的設(shè)計(jì)等問題， 最后提出了實(shí)際中使用該壁障模塊時的注意事項(xiàng)。