应用于姿态追踪的视觉无人机的开发

引言

目前在搜索、救灾、环境监测等任务中,小型四旋翼无人机因其轻便灵活、机动性强的特点而扮演了非常重要的角色。当前无人机的发展正是如日中天之时,各项技术层出不穷,但也正是因为产业的需求、应急救急的需求,无人机需要更智能化一自主导航。自主导航是无人机轨迹规划的根本目标,而无人机的姿态追踪是无人机轨迹规划的重要环节,它直接影响着自主飞行的无人机的运动性能。实现良好的无人机姿态追踪,不仅仅需要建立出色的姿态追踪算法,还要有恰当的无人机机械结构以及传感器设计阵列。因此,本文提出设计一种能应用于姿态追踪的视觉无人机,使其具有更轻便的结构与合适的传感器组合阵列。

1传感器的选择

上文所述的姿态追踪主要包括空间位置、实时姿态以及空间变换的信息。在多次实验中发现,无人机刚起飞的小段距离内,利用气压计定高的数据漂移量大,而当无人机继续上升时,气压计定高的数据将趋于稳定,高度测量较准确。鉴于超声波传感器测距范围最远能达到11m,并且超声波传感器是一种定向发射器、测距稳定,因此本文开发的无人机在获取空间上的高度信息时通过结合超声波传感器与气压计来实现,达到一个互补的作用。实时姿态信息包括无人机在三维空间中的角速度和加速度,本文选用包含了三个单轴加速度计和三个单轴陀螺仪的惯性测量单元（IMU）,IMU具有性能好、精度高的特点。无人机在飞行过程中,利用摄像头检测其相对空间变换信息是最直接的,相对空间变换的实际可用图像变换来表现。

2结构设计

基于上文的传感器选择,下文将对应用于姿态追踪的视觉无人机进行机构设计以及传感器组合设计。

现有的无人机结构将脚架设计在四个机臂梁的末端来支撑无人机,无人机降落地面的瞬时发生刚性碰撞,易导致机臂梁变形,因此为使无人机起飞或降落时的支撑力集中在机体中部,而不是作用于机臂梁上,本文将无人机脚架设计成人字形,如图1～3所示。

图1应用于姿态追踪的视觉无人机的轴测图

图2应用于姿态追踪的视觉无人机的主视图

图3应用于姿态追踪的视觉无人机的右视图

1—脚架2—铜柱3一下基板4—机臂梁安装块5一上基板

6一机臂梁7一飞行控制器8一航模电机9一螺旋桨

10一相机支板11一舵机A12一相机摆板A13一相机摆板B

14一舵机B安装板15一舵机B16一相机安装板17一相机

18一电池19一超声波传感器

脚架水平设置于无人机的下方位置,用于全面支撑其他所有零部件:与脚架直接相连的是下基板,下基板下表面的前侧设置了超声波传感器,如上文所述,其用于准确测量无人机刚起飞时离地面的高度变化:下基板的上方设置了机臂梁安装块,机臂梁安装块的长边一端设置成半圆弧形,上下叠加的两个机臂梁安装块刚好构成一个圆孔,该直径比机臂梁的直径小1mm,以便锁紧机臂梁,此为过盈配合的优势。在同一个机臂梁上,仅仅使用一组机臂梁安装块锁紧机臂梁满足不了其扭矩的要求,因此本文使用两组机臂梁安装块作用于机臂梁的同一端,形成外伸梁结构。机臂梁的另一端设置了电机托架以及航模电机,航模电机的上方设置了螺旋奖,正反两对,共四个。如图1,左上角与右下角的两个螺旋奖为一对,无人机飞行时,从上往下看,其同为顺时针方向:左下角与右上角的两个螺旋奖为一对,无人机飞行时,从上往下看,其同为逆时针方向。四个电机转向正反各两个,如此可相互抵消反扭矩。

为方便安装其他电控器件,本文在机臂梁安装块的上方还设置了上基板,通过上基板把一些基本的电控器件均匀布置,使得无人机的重心能一直稳定于飞行器的中心。其中,集成了IMU(惯性测量单元）与气压计的飞行控制器设置在上基板的最中央,接收地面站信息的接收器设置在上基板的右侧,图传发送模块设置在上基板的左侧。视觉方面,摄像头作为一个精密元器件以及感知环境变化的重要角色,其稳定设置至关重要。

如图1～2所示,相机支板侧卧设置于脚架的右内侧面,舵机侧卧设置于相机摆板的内侧面上并配合好相机摆板和舵机B安装板通过螺栓锁紧连接,舵机A的舵机板连接于相机支板的内末端,舵机B侧卧设置于舵机B安装板的里侧面上,相机安装板的左侧与舵机B的舵板连接,相机安装板的右侧与相机摆板A、相机摆板B的连接板连接,相机侧卧设置于相机安装板的上侧面上并配合好安装孔通过螺栓连接,如此构建一个稳定的飞行视觉结构。四旋翼飞行器通过调节四个电机转速来改变旋翼转速,实现升力的变化,从而控制飞行器的姿态和位置。

3结语

本文主要针对动态视觉的姿态追踪的技术方向设计了无人机的结构以及搭配良好的传感器阵列,设计简单,用材轻巧,外形较小,能使得飞行敏捷快速,并且能搭配基于神经形态动态视觉的姿态追踪算法来实现更低耗能、更高敏捷度的要求,从而使无人机能够更好地规划自身的飞行路线来迅速完成作业任务。