双无人机跟踪飞行分析

潘磊 李勇庆 王琛 戴铮 李灿 中国民航大学电子信息与自动化学院

双无人机跟踪飞行分析

潘磊 李勇庆 王琛 戴铮 李灿 中国民航大学电子信息与自动化学院

本文基于对单架无人机系统的定位、通信及控制，引入双无人机的跟踪飞行，进而引伸为无人机集群控制。通过分析双无人机通信方法以及无人机定位的手段，搭建双无人机硬件平台，软件构建协同算法，以无线通信的方式，将主机信息共享给从机，实现从机的跟踪飞行。本文设计的双无人机跟踪飞行系统，具有较强可行性、可靠性，能够实现双无人机快速响应、协同飞行，为日后研究发展多无人机集群控制打下基础。

无人机 跟踪飞行 协同控制 实验分析

1 引言

近年来，四旋翼无人机的运用越来越广泛，功能也愈加完善，在军事、农业、救援等领域的作用突出。但单机工作的效率以及问题也日益突出，而多机工作比单机工作的效率以及质量会高出不少。本设计为多无人机跟踪飞行控制提供了一条思路。

国内外，针对无人机集群研究都有相应的进展，在国外，美国海军研究办公室(ONR)开展了名为低成本无人机集群技术(Low-Cost UAV Swarming Technology，LOCUST)的项目研究，欧洲信息社会技术计划（Information Society Technologies，IST）资助了异构无人机群实时协同与控制项目（Real-time Coordination and Control of Multiple Heterogeneous UAVs，COMENTS）；在国内，虽然我们起步较晚，但是也取得了相应的成果，电科电子科学研究院赵彦杰针对无人机蜂群系统给出了相应的研究意见和思考，西北工业大学的朱旭等人提出了基于信息一致性的多无人机编队控制方法，提出了多无人机集结、解散以及队形变换的策略。

本文所设计的系统功能为两架四旋翼无人机的跟踪飞行，其中一架无人机作为领航，通过GPS等方式获取当前位置信息，再通过两者之间的相互通信，利用协同控制达到另一架无人机跟踪飞行的目的。本文着重介绍了该系统的搭建以及实验中遇到的问题及解决方法。

2 无人机总体设计及硬件设计

2.1 无人机总体设计

双无人机跟踪飞行系统由两架四旋翼无人机组成，一架为主机，另一架为从机，用来模拟主机飞行、从机跟踪的效果。其中，每台四旋翼无人机的机载控制端由上下两层硬件设备构成。其中上层硬件设备有：飞控板、GPS定位装置、STM32F103单片机、OLED显示模块、超声波测距模块、无线遥控器信号接收模块以及无线通信模块。下层硬件设备有飞控板、GPS定位装置。

上层硬件设备功能。飞控板：产生四路PWM波，将PWM波传送至下层飞控板。GPS定位装置：采集无人机的经纬度信息。STM32F103单片机：作为机载硬件设备的核心处理器，控制、监视本机的飞行状态。OLED显示模块：显示飞行参数如无人机高度、经纬度信息等。超声波测距模块：用于无人机在近地空域飞行时的测定高度。无线遥控器信号接收模块：用于接收无线遥控器的控制信号。无线通信模块：用于四旋翼无人机之间的通信。

下层硬件设备功能。飞控板：接受来自上层飞控板的四路PWM波信息，并将该控制信号传输给电调。GPS定位装置：定位无人机的经纬度信息，协助下层飞控板进行飞行。

2.2 无人机硬件设计

2．2．1 机体基础硬件

四旋翼采用F450常规型号机架，力臂为尼龙加纤材质，超强硬度，层板为沉金PCB。无刷电机采用大疆E310，960rpm/V，具有高转速，高稳定性，再配以相符的电子调速器，碳纤螺旋桨（两个正桨，两个反桨），达到能够完美完成飞行任务的机体要求。

2．2．2 定位系统

GPS是全方位、全天候、全时段、高精度的卫星导航系统，能为四旋翼无人机提供高精度的经纬度位置信息，而且使用和调试方便，抗干扰能力强，适合室外四旋翼无人机的定位导航。

同时加入光流传感器加以辅助定位，利用光流传感器，从光流场中近似得到不能直接得到的运动场，采集四旋翼精确位置信息。由GPS与光流传感器组合而成的定位系统，能够更加精准地获得四旋翼无人机的位置以及高度信息。

在低空飞行时，引入超声波定位，超声波具有频率高、波长短、绕射现象小，特别是方向性好，能够成为射线而定向传播等特点。缺点是测量距离短，短距离测量精度高，长距离测量精度低，结合这些特点，我们将超声波传感器应用于低空飞行时的高度测量，同时可以作为低空警戒，保证四旋翼飞行稳定。

2．2．3 控制芯片

本设计采用STM32F103VCT6作为主控芯片，搭配APM飞控与DJI NAZA-M LITE飞控实现无人机的飞行。STM32F103VCT6单片机所在的飞控板通过控制APM飞控与DJI NAZA-M LITE飞控进行四旋翼飞行姿态及高度位置的调整，正常飞行时，利用GPS与光流传感器对主机的经纬度信息、位置信息及高度信息进行采集，采集的信息通过串口传输送回STM32F103VCT6单片机。单片机再通过SX1278无线通信模块将主机的经纬度、高度等信息发送给从机，进而控制从机的飞行状态，进而达到从机跟随主机飞行的目的。主控芯片的工作图如图1所示。

图1 控制芯片工作原理图

2．2．4 底层飞控芯片

在这里采用了两种飞控板作为底层飞控，一种是常用的APM飞控，另一种是DJI NAZA-M LITE飞控板。

APM飞控是较为常见的飞控板，是开源飞控系统，能够支持固定翼，直升机，3轴，4轴，6轴飞行器，技术成熟，可靠性高，它采用Atmega1280作为主控芯片，飞控上集成了PPM解码芯片，惯性测量单元，三轴磁力计，空速计，空压计等一系列常用功能。APM飞控采用两级PID控制，第一级是导航级，第二级是控制级，导航级PID控制目的是解决飞机如何以预定空速飞行在预定高度，以及如何转弯飞往目标等问题。通过设计算法给出飞机需要的俯仰角、油门和横滚角，再由控制级进行控制解算。控制级的任务就是依据需要的俯仰角、油门、横滚角，结合飞机当前的姿态解算出合适的舵机控制量，使飞机保持预定的俯仰角，横滚角和方向角。APM具有飞控体积小，功能强大，飞行稳定的特点，而且APM飞控技术较为成熟，资料详细，便于对各种参数进行修改，与其他系统进行结合，因此选取其作为从机飞控。

DJI NAZA-M LITE飞控使用创新的All-in-One设计理念，将控制器、3轴陀螺仪、3轴加速度计和气压计等传感器集成在一个更轻更小巧的控制模块中，用于识别高度和姿态，从而实现锁定高度和平稳姿态等飞行控制功能。具有安装简便，占用空间少，重量轻的显著特点，而且它继承了大疆飞控一贯的稳定性，用来作为领航的主机飞控，体积小，重量轻，稳定性高，可靠性强。

3 无人机软件设计

3．1 串口通信部分

串口通信是指单片机和外设之间，通过信号线、地线、控制线等，按位进行传输数据的一种通讯方式。这种通信方式使用的数据线少，并且简便快捷，适合在无人机上实现。

本设计将UART通信模块（波特率为115200字符/秒）通过C语言软件进行编程设计，在单片机中通过C程序实现。在本系统中UART通信模块用于GPS、光流传感器和超声波模块与STM32F103VCT6单片机之间的通信，将GPS、光流传感器、超声波模块采集到的位置信息传送给单片机。

3.2 SX1278无线模块

SX1278无线模块基于SEMTECH公司的进口芯片SX1278的无限透明传输模块，采用先进的LoRa扩频技术，传输距离与穿透能力比传统FSK提升1倍以上，同时使用FEC前向纠错算法，能主动纠正被干扰的数据包，使通信距离更远，抗干扰能力更强，而且具有空中唤醒功能（超低功耗），而且模块提供了多个频道的选择，可以修改串口波特率、收发频率、发射功率、射频空中速率等各种参数，方便进行调试。

SX1278无线模块是一种中长距离通信系统，主要特点是功能强大、耗电量低、成本低廉，利用LORA扩频技术通信距离有保证，抗干扰能力强，且具有唤醒功能，功耗低，支持无线连接和通信，双无人机能够进行良好的通信，便于主机将位置信息以及四个舵机的速度信息发送给从机，进而实现从机跟踪飞行的目的。

4 跟踪飞行实验分析

4.1 无人机无法实现定高、定点功能

在进行实际飞行时，发现单架无人机无法实现稳定的定高、定点功能，一旦切换到定点功能便会发现无人机一直在该点附近徘徊，但无法停在设定点上，一旦切换到定高功能，便会发现无人机一直向上飞行。

经过对于程序的细致研究后，发现飞控程序功能不够完善，PID控制达不到预定要求，PID控制总是存在一定的偏差，因此综合考虑后，我们在系统中采用了双层飞控结构，由下层飞控板控制无人机飞行，这样做后，效果明显得到了改善。

4.2 GPS信号浮动无所获得精确地址

在实验过程中，无人机出现了按“8”字来回飞行的状况，经过对无人机返回的数据进行分析，我们发现GPS的数据存在很大的波动，其范围最大为周围8米，所以无人机在飞行时无法获得正确的GPS信号，两架无人机在进行数据交互时，主机一方无法给出确定的当前GPS信号，而从机一方不仅收到的信号不稳定，而且在进行跟踪飞行时自己的GPS信号也不稳定，因此在飞行时会出现首架飞机按“8”字飞行，而从机无章法乱飞。

为了稳定GPS信号，我们引入了卡尔曼滤波，卡尔曼滤波是一种高效率的递归滤波器，它能够从一系列的不完全及包含噪声的测量中，估计动态系统的状态。我们此处引入二阶卡尔曼滤波，滤出GPS信号中包括经纬度，高度等六个参量，实地测试后发现效果达到了预定要求，GPS数据波动几乎没有，两架无人机能够实现稳定的跟踪飞行。

5 结论

本系统实现了双无人机的跟踪飞行，并融入了协同飞行算法。通过控制领航机的飞行姿态和轨迹，使得另一架无人机能够自动跟踪飞行。该系统可扩展至多无人机跟踪飞行，多无人机跟踪飞行比单一飞行器执行任务时会更加高效，尤其是在任务目标繁多且复杂时，多无人机跟踪飞行更能够体现出它的优势，可以同时对多个目标采取行动，从而大大地提升了执行任务的效率。并且，在多无人机跟踪飞行系统中，降低了对无人机的操控难度，只需要控制头机的飞行状态即可控制多架飞机。在实际生活中此系统能够被广泛应用于执行任务目标多，任务环境复杂的任务中，能够大幅度提高工作效率，节约宝贵的时间。

6 致谢

感谢中国民航大学大学生创新创业训练计划项目给予的支持（大学生创新创业训练计划项目编号201610059090），感谢在整个项目过程中指导老师和队友们的帮助。

[1] Ollero A.，Maza I. Multiple Heterogeneous Unmanned Aerial Vehicles[M]. Berlin Heidelberg: Springer, 2007

[2] Ollero A.，Lacroix S.，Merino L., et al. Multiple Eyes in the Skies: Architecture and Perception Issues in the COMETS Unmanned Air Vehicles Project[J]. Robotics&Automation Magazine, IEEE, 2005, 12 (2): 46-57

[3] Merino L.，Caballero F.，Martinez-De Dios J. R., et al. Cooperative Fire Detection using Unmanned Aerial Vehicles[C]. Proceedings of the 2005 IEEE International Conference on Robotics and Automation. 2005: 1884一1889

[4] COMETS Project web site[EB/OL]. [2014-2-6]. http://www. comets-uavs.org/

[5] 朱旭.基于信息一致性的多无人机编队控制方法研究[M].西安:西北工业大学,2014

潘磊（1996—），男，山东临沂人，中国民航大学本科在读，研究方向：控制理论与控制工程。