應(yīng)用于姿態(tài)追蹤的視覺無人機的開發(fā)

引言

目前在搜索、救災(zāi)、環(huán)境監(jiān)測等任務(wù)中,小型四旋翼無人機因其輕便靈活、機動性強的特點而扮演了非常重要的角色。當(dāng)前無人機的發(fā)展正是如日中天之時,各項技術(shù)層出不窮,但也正是因為產(chǎn)業(yè)的需求、應(yīng)急救急的需求,無人機需要更智能化一自主導(dǎo)航。自主導(dǎo)航是無人機軌跡規(guī)劃的根本目標(biāo),而無人機的姿態(tài)追蹤是無人機軌跡規(guī)劃的重要環(huán)節(jié),它直接影響著自主飛行的無人機的運動性能。實現(xiàn)良好的無人機姿態(tài)追蹤,不僅僅需要建立出色的姿態(tài)追蹤算法,還要有恰當(dāng)?shù)臒o人機機械結(jié)構(gòu)以及傳感器設(shè)計陣列。因此,本文提出設(shè)計一種能應(yīng)用于姿態(tài)追蹤的視覺無人機,使其具有更輕便的結(jié)構(gòu)與合適的傳感器組合陣列。

1傳感器的選擇

上文所述的姿態(tài)追蹤主要包括空間位置、實時姿態(tài)以及空間變換的信息。在多次實驗中發(fā)現(xiàn),無人機剛起飛的小段距離內(nèi),利用氣壓計定高的數(shù)據(jù)漂移量大,而當(dāng)無人機繼續(xù)上升時,氣壓計定高的數(shù)據(jù)將趨于穩(wěn)定,高度測量較準(zhǔn)確。鑒于超聲波傳感器測距范圍最遠(yuǎn)能達(dá)到11m,并且超聲波傳感器是一種定向發(fā)射器、測距穩(wěn)定,因此本文開發(fā)的無人機在獲取空間上的高度信息時通過結(jié)合超聲波傳感器與氣壓計來實現(xiàn),達(dá)到一個互補的作用。實時姿態(tài)信息包括無人機在三維空間中的角速度和加速度,本文選用包含了三個單軸加速度計和三個單軸陀螺儀的慣性測量單元（IMU）,IMU具有性能好、精度高的特點。無人機在飛行過程中,利用攝像頭檢測其相對空間變換信息是最直接的,相對空間變換的實際可用圖像變換來表現(xiàn)。

2結(jié)構(gòu)設(shè)計

基于上文的傳感器選擇,下文將對應(yīng)用于姿態(tài)追蹤的視覺無人機進(jìn)行機構(gòu)設(shè)計以及傳感器組合設(shè)計。

現(xiàn)有的無人機結(jié)構(gòu)將腳架設(shè)計在四個機臂梁的末端來支撐無人機,無人機降落地面的瞬時發(fā)生剛性碰撞,易導(dǎo)致機臂梁變形,因此為使無人機起飛或降落時的支撐力集中在機體中部,而不是作用于機臂梁上,本文將無人機腳架設(shè)計成人字形,如圖1～3所示。

圖1應(yīng)用于姿態(tài)追蹤的視覺無人機的軸測圖

圖2應(yīng)用于姿態(tài)追蹤的視覺無人機的主視圖

圖3應(yīng)用于姿態(tài)追蹤的視覺無人機的右視圖

1—腳架2—銅柱3一下基板4—機臂梁安裝塊5一上基板

6一機臂梁7一飛行控制器8一航模電機9一螺旋槳

10一相機支板11一舵機A12一相機擺板A13一相機擺板B

14一舵機B安裝板15一舵機B16一相機安裝板17一相機

18一電池19一超聲波傳感器

腳架水平設(shè)置于無人機的下方位置,用于全面支撐其他所有零部件:與腳架直接相連的是下基板,下基板下表面的前側(cè)設(shè)置了超聲波傳感器,如上文所述,其用于準(zhǔn)確測量無人機剛起飛時離地面的高度變化:下基板的上方設(shè)置了機臂梁安裝塊,機臂梁安裝塊的長邊一端設(shè)置成半圓弧形,上下疊加的兩個機臂梁安裝塊剛好構(gòu)成一個圓孔,該直徑比機臂梁的直徑小1mm,以便鎖緊機臂梁,此為過盈配合的優(yōu)勢。在同一個機臂梁上,僅僅使用一組機臂梁安裝塊鎖緊機臂梁滿足不了其扭矩的要求,因此本文使用兩組機臂梁安裝塊作用于機臂梁的同一端,形成外伸梁結(jié)構(gòu)。機臂梁的另一端設(shè)置了電機托架以及航模電機,航模電機的上方設(shè)置了螺旋獎,正反兩對,共四個。如圖1,左上角與右下角的兩個螺旋獎為一對,無人機飛行時,從上往下看,其同為順時針方向:左下角與右上角的兩個螺旋獎為一對,無人機飛行時,從上往下看,其同為逆時針方向。四個電機轉(zhuǎn)向正反各兩個,如此可相互抵消反扭矩。

為方便安裝其他電控器件,本文在機臂梁安裝塊的上方還設(shè)置了上基板,通過上基板把一些基本的電控器件均勻布置,使得無人機的重心能一直穩(wěn)定于飛行器的中心。其中,集成了IMU(慣性測量單元）與氣壓計的飛行控制器設(shè)置在上基板的最中央,接收地面站信息的接收器設(shè)置在上基板的右側(cè),圖傳發(fā)送模塊設(shè)置在上基板的左側(cè)。視覺方面,攝像頭作為一個精密元器件以及感知環(huán)境變化的重要角色,其穩(wěn)定設(shè)置至關(guān)重要。

如圖1～2所示,相機支板側(cè)臥設(shè)置于腳架的右內(nèi)側(cè)面,舵機側(cè)臥設(shè)置于相機擺板的內(nèi)側(cè)面上并配合好相機擺板和舵機B安裝板通過螺栓鎖緊連接,舵機A的舵機板連接于相機支板的內(nèi)末端,舵機B側(cè)臥設(shè)置于舵機B安裝板的里側(cè)面上,相機安裝板的左側(cè)與舵機B的舵板連接,相機安裝板的右側(cè)與相機擺板A、相機擺板B的連接板連接,相機側(cè)臥設(shè)置于相機安裝板的上側(cè)面上并配合好安裝孔通過螺栓連接,如此構(gòu)建一個穩(wěn)定的飛行視覺結(jié)構(gòu)。四旋翼飛行器通過調(diào)節(jié)四個電機轉(zhuǎn)速來改變旋翼轉(zhuǎn)速,實現(xiàn)升力的變化,從而控制飛行器的姿態(tài)和位置。

3結(jié)語

本文主要針對動態(tài)視覺的姿態(tài)追蹤的技術(shù)方向設(shè)計了無人機的結(jié)構(gòu)以及搭配良好的傳感器陣列,設(shè)計簡單,用材輕巧,外形較小,能使得飛行敏捷快速,并且能搭配基于神經(jīng)形態(tài)動態(tài)視覺的姿態(tài)追蹤算法來實現(xiàn)更低耗能、更高敏捷度的要求,從而使無人機能夠更好地規(guī)劃自身的飛行路線來迅速完成作業(yè)任務(wù)。