基于UWB技术的四旋翼飞行器自主悬停实验研究

王超+吕强+孙俊峰

摘要：在概述UWB技术测距原理的基础上，从硬件系统和软件系统两个方面阐述了四旋翼飞行器的设计思路，介绍了四旋翼飞行器自主悬停实验的过程，并对实验结果进行了分析，为四旋翼飞行器在军事领域的应用奠定了基础。

Abstract： Based on summarizing the ranging principle of UWB， the design thought of four rotorcraft is introduced from hardware system and software system， and process of the four rotorcraft autonomous hover experiment is explained， the experimental results are analyzed. The experiment lays the foundation of the military application of four rotorcraft.

关键词：UWB；四旋翼飞行器；自主悬停

Key words： UWB；four rotorcraft；autonomous hover

中图分类号：V475.4 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2017）34-0114-030 引言

四旋翼飞行器结构设计简单紧凑，单位体积提供升力较大，能够垂直起飞、降落和悬停，并可全向运动，不受转弯半径的限制，飞起来机动灵活，操作性强，其在军事领域的应用十分广泛，例如截取情报，侦查、监视地面信息和卫星通信，搜索与救援等。四旋翼飞行器不仅适用于空旷的室外低空环境，也适用于室内、高楼耸立的市区及森林等复杂环境。但是由于无线信号屏蔽或者干扰的影响，很难收到GPS等卫星信号，因此在复杂环境下的四旋翼飞行器研究成为新的研究方向。无线传感器网络技术的飞速发展，为解决复杂环境下的四旋翼飞行器定位问题提供了良好思路，尤其是UWB超宽带技术能够很好地解决复杂环境下四旋翼飞行器难以收到GPS信号的问题[1]。因此基于UWB技术，本文开展四旋翼飞行器自主悬停实验研究，为其在军事领域中的运用奠定基础。

1 UWB技术测距定位原理

UWB（Ultra Wide Band）作为一种新兴的无线载波通信技术，数据输送采用纳秒级非正弦、瞬时短脉冲，非常适合在近距离完成高速无线通信。按照美国FCC的定义，UWB信号指的是总带宽大于等于500MHz或者相对带宽大于20%的信号。UWB测距定位方法有多种，本文采用到达时间法（TOA）[2]。

TOA法原理很简单，就是已知电磁波在空间传播的速度，再根据信号在两节点间往返时间，即可测得两节点之间的距离。在系统同步误差比较大时，通过测量往返时间来估算距离；如果系统处理时延极短，两节点间同步匹配程度很高，则只需要计算到达时间，进行单程测量就可以测得距离。考虑技术水平的缘故，本文采用双程测量，即通过计算信号往返时间计算节点距离。具体过程如下：首先未知节点发出射频信号，参照节点一旦接收到信号后，就会送出响应讯号，根据未知节点发射和接收讯号的时间，推算出其与参照节点的距离，数学原理就是三边测量法或者多边测量法。基本数学原理如图1所示。

根据图1，得到距离d的计算公式：

d=[（T3-T0）-（T2-T1）]*V/2

其中v为射频信号的传播速度。

2 四旋翼飞行器硬件系统与软件系统

2.1 硬件系统 四旋翼飞行器由四个旋翼、四个电机、一个十字机架、控制板和锂电池等部分构成。其核心部件包括[3]：①主控芯片：主控芯片STM32F405，用于实现PID算法，接收控制指令控制电机转速，并输出、检测各传感器数据等；主控芯片nRF51822，主要用来处理无线通信。②IMU传感器模块：IMU传感器模块用来感知加速度和角速度，数字运动处理器在收到数据后经过运算能够得到四旋翼飞行器的飞行姿态，IMU传感器模块在姿态控制方面具有重要作用。③UWB定位模块：UWB定位模块用来给四旋翼飞行器定位测距，本文采用DW1000芯片，它是一款基于UWB技术的无线收发芯片，定位精度在10厘米以内，最高传输速率达6.8M/s，最远接受距离可达300米，抗干扰能力强，能够有效减缓信号衰减，功耗低。④无线数据传输模块：无线数据传输模块用于实现电脑与四旋翼飞行器之间的通信连接，本文使用Crazyradio PA进行无线通信，通信前需要下载相应的模块进行安装编译。

2.2 软件系统 完整的四旋翼飞行器软件系统是由机体及地面操作系统两大部分组成。地面操作系统负责进行高运算量的数据处理，并通过无线数据传输对四旋翼进行高层次控制。机体操作系统采用ROS操作系统，它是一个开源的机器人操作系统，只能在LINUX上运行，可以提供大量常用于机器人系统的库、硬件设备驱动、可视化程序和数据通信程序，大大提升了机器人系统的开发效率。在ROS操作系统中，一个大型任务通常被分为几个小任务独立开发，每个小任务以Package的形式存在。而每个Package运行的进程称为Node，它可以与其它Node通过Topic相互通信。ROS操作系统通过Core内核来管理这些Node和Topic，当一个Node启动后，它会向Core注册，并将自己需要发布和接收的Topic提交给Core，Core负责维护Node和Topic之间的关联列表。每当有Node启动或结束，Core均会更新列表以保证关联的准确性。

3 四旋翼飞行器自主悬停实验过程

3.1 试验准备 本文设计的实验场地是一个邊长为2米的正方体，四周搭上网，以防止四旋翼飞行器撞到墙上摔坏。同时将UWB的测距模块固定在正方体的四个角上。接下来要做的就是搭建实验平台，首先将四个螺旋桨安装在十字机架尾端，再依次将锂电池，UWB测距芯片固定在机架质心处，调整好重心。将三个UWB测距模块接上电源，另一个通过USB接口与电脑相连，获取测距数据，连接radio PA，建立与四旋翼飞行器的蓝牙通信连接，就可以进行实验了。endprint

3.2 试验内容 四旋翼飞行器的任务是从某一位置起飞，到达另一地点悬停，期望能通过实验不断调整PID参数，使其在飞行时保持姿态稳定，能平稳飞行到指定位置，通过调整推力值来使四旋翼稳定悬停。但是由于PID的参数因具体系统和具体环境而异，因此在调试时采用了工程整定法，按照“修改-运行并观察结果-再修改”的方法不断进行改进。

3.3 实验结果分析 实验设定的悬停高度约为0.5米，起始位置坐标为（0.88，0.60，0.04），用radio PA建立四旋翼飞行器与电脑的通信连接，此时UWB测得的数据就会实时传输到电脑上，电脑终端窗口就会显示出相应的距离信息，测得四旋翼在静止情况下的位置坐标，以及与实际测量值相比误差范围波动情况，如图2所示。

从图2中可以清晰地看出，四旋翼停在起始位置，此时UWB实时测出位置坐标，与实际测量值相比较误差范围在2厘米以内，所以定位精度还是很高的，测得的距离也是比较准确的，验证了用三边测量法原理进行UWB测距定位在此實验环境下具有可行性。

赋予四旋翼飞行器一定的推力值，启动驱动程序和TF变换，在程序中设定悬停位置为起始位置上方约0.5米的高度，四旋翼飞行器从初始位置开始起飞，直到到达指定位置，在设定好的悬停位置附近盘旋。期间路径变化及X，Y，Z轴的位置坐标变化如图3所示。

图3中横坐标单位是时间，纵坐标单位是距离，圆圈标记的地方是悬停的时间段。设定的目标是垂直起降悬停，从以上数据图中可以看出，x方向在初始阶段位置比较准确，但经过一段时间后，悬停时的x坐标在0.7米至0.8米之间，与设定的0.88米相差了10厘米左右。悬停阶段的y坐标值比较准确，始终保持在0.6到0.7米之间，与预设值相差不到。z坐标在悬停时比较稳定，一直保持在0.6米多的高度，但是与预设值0.5米相差了10厘米。此外，四旋翼飞行器在进入悬停阶段之前，先飞到高于悬停的位置，然后慢慢减速，临近悬停阶段，位姿改变较大，四旋翼在不断进行位置与姿态地调试后，最终悬停成功。

4 结束语

本文基于UWB技术，开展四旋翼飞行器自主悬停实验研究，其本质是定位和飞控系统的设计。考虑到室内无法接收到GPS信号，所以采用了最近热门的无线传感器网络UWB进行定位，基本达到了实验目标，为进一步改进优化实验设计和相关技术在军事领域的推广应用奠定了基础。

参考文献：

[1]袁晓，葛利嘉，朱林，郑相全.超宽带无线传感器网络综述[J].测控技术，2004，23（12）：1-4.

[2]朱林.超宽带测距定位技术研究[D].四川：四川大学，2005.

[3]王力.四旋翼无人机飞控系统设计[D].南昌：南昌航空大学，2015.endprint