引言

目前在搜索、救災(zāi)、環(huán)境監(jiān)測(cè)等任務(wù)中,小型四旋翼無(wú)人機(jī)因其輕便靈活、機(jī)動(dòng)性強(qiáng)的特點(diǎn)而扮演了非常重要的角色。當(dāng)前無(wú)人機(jī)的發(fā)展正是如日中天之時(shí),各項(xiàng)技術(shù)層出不窮,但也正是因?yàn)楫a(chǎn)業(yè)的需求、應(yīng)急救急的需求,無(wú)人機(jī)需要更智能化一自主導(dǎo)航。自主導(dǎo)航是無(wú)人機(jī)軌跡規(guī)劃的根本目標(biāo),而無(wú)人機(jī)的姿態(tài)追蹤是無(wú)人機(jī)軌跡規(guī)劃的重要環(huán)節(jié),它直接影響著自主飛行的無(wú)人機(jī)的運(yùn)動(dòng)性能。實(shí)現(xiàn)良好的無(wú)人機(jī)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(wú)人機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)以及傳感器設(shè)計(jì)陣列。因此,本文提出設(shè)計(jì)一種能應(yīng)用于姿態(tài)追蹤的視覺(jué)無(wú)人機(jī),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(shí)時(shí)姿態(tài)以及空間變換的信息。在多次實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn),無(wú)人機(jī)剛起飛的小段距離內(nèi),利用氣壓計(jì)定高的數(shù)據(jù)漂移量大,而當(dāng)無(wú)人機(jī)繼續(xù)上升時(shí),氣壓計(jì)定高的數(shù)據(jù)將趨于穩(wěn)定,高度測(cè)量較準(zhǔn)確。鑒于超聲波傳感器測(cè)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(cè)距穩(wěn)定,因此本文開(kāi)發(fā)的無(wú)人機(jī)在獲取空間上的高度信息時(shí)通過(guò)結(jié)合超聲波傳感器與氣壓計(jì)來(lái)實(shí)現(xiàn),達(dá)到一個(gè)互補(bǔ)的作用。實(shí)時(shí)姿態(tài)信息包括無(wú)人機(jī)在三維空間中的角速度和加速度,本文選用包含了三個(gè)單軸加速度計(jì)和三個(gè)單軸陀螺儀的慣性測(cè)量單元（IMU）,IMU具有性能好、精度高的特點(diǎn)。無(wú)人機(jī)在飛行過(guò)程中,利用攝像頭檢測(cè)其相對(duì)空間變換信息是最直接的,相對(duì)空間變換的實(shí)際可用圖像變換來(lái)表現(xiàn)。

2結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

基于上文的傳感器選擇,下文將對(duì)應(yīng)用于姿態(tài)追蹤的視覺(jué)無(wú)人機(jī)進(jìn)行機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)以及傳感器組合設(shè)計(jì)。

現(xiàn)有的無(wú)人機(jī)結(jié)構(gòu)將腳架設(shè)計(jì)在四個(gè)機(jī)臂梁的末端來(lái)支撐無(wú)人機(jī),無(wú)人機(jī)降落地面的瞬時(shí)發(fā)生剛性碰撞,易導(dǎo)致機(jī)臂梁變形,因此為使無(wú)人機(jī)起飛或降落時(shí)的支撐力集中在機(jī)體中部,而不是作用于機(jī)臂梁上,本文將無(wú)人機(jī)腳架設(shè)計(jì)成人字形,如圖1～3所示。

圖1應(yīng)用于姿態(tài)追蹤的視覺(jué)無(wú)人機(jī)的軸測(cè)圖

圖2應(yīng)用于姿態(tài)追蹤的視覺(jué)無(wú)人機(jī)的主視圖

圖3應(yīng)用于姿態(tài)追蹤的視覺(jué)無(wú)人機(jī)的右視圖

1—腳架2—銅柱3一下基板4—機(jī)臂梁安裝塊5一上基板

6一機(jī)臂梁7一飛行控制器8一航模電機(jī)9一螺旋槳

10一相機(jī)支板11一舵機(jī)A12一相機(jī)擺板A13一相機(jī)擺板B

14一舵機(jī)B安裝板15一舵機(jī)B16一相機(jī)安裝板17一相機(jī)

18一電池19一超聲波傳感器

腳架水平設(shè)置于無(wú)人機(jī)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(cè)量無(wú)人機(jī)剛起飛時(shí)離地面的高度變化:下基板的上方設(shè)置了機(jī)臂梁安裝塊,機(jī)臂梁安裝塊的長(zhǎng)邊一端設(shè)置成半圓弧形,上下疊加的兩個(gè)機(jī)臂梁安裝塊剛好構(gòu)成一個(gè)圓孔,該直徑比機(jī)臂梁的直徑小1mm,以便鎖緊機(jī)臂梁,此為過(guò)盈配合的優(yōu)勢(shì)。在同一個(gè)機(jī)臂梁上,僅僅使用一組機(jī)臂梁安裝塊鎖緊機(jī)臂梁滿足不了其扭矩的要求,因此本文使用兩組機(jī)臂梁安裝塊作用于機(jī)臂梁的同一端,形成外伸梁結(jié)構(gòu)。機(jī)臂梁的另一端設(shè)置了電機(jī)托架以及航模電機(jī),航模電機(jī)的上方設(shè)置了螺旋獎(jiǎng),正反兩對(duì),共四個(gè)。如圖1,左上角與右下角的兩個(gè)螺旋獎(jiǎng)為一對(duì),無(wú)人機(jī)飛行時(shí),從上往下看,其同為順時(shí)針?lè)较?左下角與右上角的兩個(gè)螺旋獎(jiǎng)為一對(duì),無(wú)人機(jī)飛行時(shí),從上往下看,其同為逆時(shí)針?lè)较?。四個(gè)電機(jī)轉(zhuǎn)向正反各兩個(gè),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(jī)臂梁安裝塊的上方還設(shè)置了上基板,通過(guò)上基板把一些基本的電控器件均勻布置,使得無(wú)人機(jī)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(cè)量單元）與氣壓計(jì)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(jué)方面,攝像頭作為一個(gè)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(jī)支板側(cè)臥設(shè)置于腳架的右內(nèi)側(cè)面,舵機(jī)側(cè)臥設(shè)置于相機(jī)擺板的內(nèi)側(cè)面上并配合好相機(jī)擺板和舵機(jī)B安裝板通過(guò)螺栓鎖緊連接,舵機(jī)A的舵機(jī)板連接于相機(jī)支板的內(nèi)末端,舵機(jī)B側(cè)臥設(shè)置于舵機(jī)B安裝板的里側(cè)面上,相機(jī)安裝板的左側(cè)與舵機(jī)B的舵板連接,相機(jī)安裝板的右側(cè)與相機(jī)擺板A、相機(jī)擺板B的連接板連接,相機(jī)側(cè)臥設(shè)置于相機(jī)安裝板的上側(cè)面上并配合好安裝孔通過(guò)螺栓連接,如此構(gòu)建一個(gè)穩(wěn)定的飛行視覺(jué)結(jié)構(gòu)。四旋翼飛行器通過(guò)調(diào)節(jié)四個(gè)電機(jī)轉(zhuǎn)速來(lái)改變旋翼轉(zhuǎn)速,實(shí)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(yǔ)

本文主要針對(duì)動(dòng)態(tài)視覺(jué)的姿態(tài)追蹤的技術(shù)方向設(shè)計(jì)了無(wú)人機(jī)的結(jié)構(gòu)以及搭配良好的傳感器陣列,設(shè)計(jì)簡(jiǎn)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(dòng)態(tài)視覺(jué)的姿態(tài)追蹤算法來(lái)實(shí)現(xiàn)更低耗能、更高敏捷度的要求,從而使無(wú)人機(jī)能夠更好地規(guī)劃自身的飛行路線來(lái)迅速完成作業(yè)任務(wù)。