引言

隨著新型材料、機械電子、慣性導航系統(tǒng)及控制技術的發(fā)展進步,加上四軸飛行器具有價格低廉、操作靈活、控制性能穩(wěn)定、適應環(huán)境能力強及可避免人員傷亡的特點,近些年其在軍事、民用領域得到了廣泛應用。然而單架飛行器存在功能局限、負載有限及面對復雜環(huán)境時效率低下等問題,影響了多類任務的可執(zhí)行性以及完成度。近年來,國內(nèi)外許多專家學者研究發(fā)現(xiàn),借鑒自然界中生物群體的協(xié)調(diào)機制可以較好地解決上述問題。群體智能以及由此發(fā)展而來的機器人學均誕生于對動物的研究,許多動物群體所使用的協(xié)調(diào)機制已被證明可以用來解決多種復雜問題,如:蟻群算法、粒子算法等智能工程的設計靈感均來源于生物。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)無人機群的協(xié)同系統(tǒng),通過將生物集群行為與機器人學相結(jié)合,設計一種動態(tài)調(diào)整無人機編隊的系統(tǒng),使多架無人機自主以一種特定的結(jié)構(gòu)進行三維空間排列,使其飛行過程中保持穩(wěn)定的隊列,并能根據(jù)外界情況和任務需求進行動態(tài)調(diào)整,使得整個機群協(xié)同一致。

為進一步深入研究和開發(fā)四軸無人機群的協(xié)同控制系統(tǒng),本文從結(jié)構(gòu)設計、系統(tǒng)開發(fā)與飛行測試三個方面進行較為詳細的闡述。

1結(jié)構(gòu)設計

結(jié)構(gòu)設計方面,在現(xiàn)有的優(yōu)秀的四軸飛行器結(jié)構(gòu)的基礎上,本文作適當?shù)母倪M以及傳感器設置,以更好地測試與檢驗所開發(fā)的四軸無人機群的協(xié)同控制系統(tǒng)。如圖1所示,設計為一種微型的四軸無人機,主要有五大部分:空心杯電機、旋翼、機架、飛行控制器以及光流傳感器。該四軸無人機以"x"模型為四旋翼模式,以指南針朝北方向為飛行的正方向,如此統(tǒng)一正方向有利于更好地規(guī)劃編隊的三維空間排列以及快速進行動態(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。為使得無人機群能遵循規(guī)律地作出動態(tài)調(diào)整,無人機的正下方設置了光流傳感器,通過光流傳感器可以有效抑制無人機的漂移,從而在飛行方向上趨于勻速移動。

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、通信等復雜任務的實時有序執(zhí)行:地面站電腦端搭載Linux系統(tǒng),保證了實時檢測各個無人機的位置、動態(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)點之間的通信以及通信沖撞問題,實現(xiàn)了無人機之間、無人機和地面站的穩(wěn)定通信。無人機定位方面,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,計算發(fā)射和反射的時間差,從而可以換算得出距離,以此確定無人機的高度。這種傳感器相較于傳統(tǒng)的氣壓計定高,更適用于小型無人機,精確度更高,穩(wěn)定性也更好。光流傳感器是一個小型的圖像傳感器,將光流傳感器對著地面,通過檢測圖像中光點和暗點的移動,從而判斷圖像中像素點相對于飛行器的移動速度,以此可以確定無人機的水平位置。每臺無人機上都搭載光流傳感器,解決了多無人機定位難的問題。在此基礎上使用編隊算法實現(xiàn)多架無人機直線陣形的編隊飛行,同時可以在Rviz仿真器上以不同顏色代表不同無人機的陀螺儀的狀態(tài)、電量等情況,以此判斷各臺無人機飛行的穩(wěn)定性,可以反映出編隊飛行整體狀態(tài)。

3飛行測試

如圖2～圖3所示,在室內(nèi)環(huán)境下進行編隊測試,其中圖2表示兩架無人機由豎向直線陣型編隊自主變換為橫向直線陣型編隊,變換的方式為以初始狀態(tài)下兩架無人機的距離為直徑、然后以圓弧線路進行變換:圖3表示四架無人機由方陣編隊自主變換為直線陣型編隊,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,右邊兩臺向左平移參考距離的一半即3/2,左下角的無人機的移動路線與左下角無人機和右下角無人機開始位置之間的連線形成609并向右下角移動√53/2的距離:同理,左上角的無人機的移動路線與左上角無人機和右上角無人機開始位置之間的連線形成609并向右上角移動√53/2的距離。圖4的右側(cè)表示另一種編隊的動態(tài)變換方法,即右邊兩臺無人機保持位置不變,左下角無人機以459方向向右下角移動√23的距離:同理,左上角無人機以459方向向右上角移動√23的距離。兩種編隊變換的方法對比,圖3的編隊變換方法即圖4左側(cè)的方法所花費的時間更少,因為前者只花費了移動√53/2距離的時間,在完成移動√53/2距離時,3/2的距離已提前完成移動:然而后者需要花費移動距離√23的時間,因此前者的編隊變換方式更佳。

綜上所述,本文所設計的四軸無人機群的協(xié)同控制系統(tǒng)能滿足預期的效果。

4結(jié)語

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