四旋翼自主精准降落平台设计

引 言

四旋翼具有体型小、成本低、环境适应力和反应力强等特点，同时还具备高、广视角等优势，被广泛应用于军事、农业、救援勘探、物流、航拍摄影等领域 [1]。因此，以四旋翼为典型的无人机家族成为未来通用航空业发展方向的代表，在近年来被赋予了更多的重定义与希望，甚至被认为是国家经济增长的新动力之一。

相关统计数据表明，60% 以上的飞行事故都发生在起飞降落阶段，而起飞降落阶段中后者又超半数。究其原因，在降落过程中，飞行器被控量多、控制精度要求高，为飞行安全引入诸多不利因素 [2]。除飞行控制外，无人机的续航能力也是重要的技术性能之一。当前无人机航模电池多为锂电池， 其续航时间最长只能维持在 20 min 左右，这导致无人机作业时经常需要多次起降进行能源补充 [3]。传统的有线充电方式使得充电过程变得复杂，同时反复的插拔会导致充电接口损坏。

在此背景下，针对无人机技术现阶段存在的自主导航定位难、续航能力差等关键问题进行研究，进一步发掘四旋翼飞行器的潜力，提高其可靠性、自主性、易用性，降低安全风险。本文提出的降落平台较好地解决了小面积平台上精准降落和能源补充问题。

1 整体方案

针对无人机降落问题，本文提出一套全新的无人机自动降落流程 ：在传统卫星定位导航基础上，提出采用“一发四收”超声定位装置对降落时段的无人机进行实时精准定位 ；并设计飞行辅助控制装置，其上搭载 LoRa 无线通信模块实现“机 - 地”间坐标信息传输后，进而对降落过程实现专项辅助控制以及无人机厘米级的智能降落。

在精准降落基础上，为解决无人机能源问题，以提高能量补充效率为出发点，基于无线充电思想对降落平台本身结构做出调整。无线充电装置相对于传统有线装置更加便捷， 省去了操作员插拔接线的多余工作同时也避免了可能出现的接口损坏等状况。

2 整体设计

在整体方案的思想指导下，设计如图 1 所示的降落平台系统，其在传统无人机结构的基础上还包括 ：“一发四收”超声定位装置的接收与发射部分、数据中转站、飞行辅助控制装置和无线充电装置。

3 定位设计

当前广泛应用于机载卫星定位装置的定位精度为 2 m 左右，仅仅能够实现无人机基本返航至操作员的可视距离或设定降落点数米的范围内 [4]。这样的结果显然不能够满足具有面积限制或空间限制的降落需求，并且使无人机的回收变得十分困难，更谈不上智能化、自主化。由此看来，选定合适精度的定位装置并对运动目标的实时跟踪定位是精准降落导航的前提。

查阅大量资料文献，比较多重定位手段后，本文决定采用超声定位技术。当前常见的超声测距模块多为“收发一体”。其测距原理为 ：计算超声波从发射经障碍物反射到最后接收的用时乘以时间所得值的半数来得到待测物体的距离[5]。通过实际试验发现，单个超声测距模块具有精度高、质量轻等优势，但却可能因为所测距离为超声波往返值而在远距离情况下时效性差，同时航模电池对超声模块过近易产生干扰。

综上所述，在此以“收发分离”为思想，采用“一发四收” 超声定位装置。装置采集实时坐标，模拟实现对运动无人机目标实时定位与跟踪，从而获得运动目标的运动参数及运动轨迹，为完成更高一级任务打好基础。

“一发四收”超声定位装置包括一个机载超声波发射器和 4 个安装在降落平台的超声波接收器，控制模块被设置在平台背面，如图 2 所示。在降落阶段，发射器与接收器构成空间四棱锥。控制模块每隔 300 ms 向超声发射器和接收器发送特定地址信息控制其工作并获得 4 个所测距离值，即四棱锥棱长 ；可设定接收器两两间距为定值即四棱锥底边长。此时四旋翼坐标问题即转换为已知四棱锥各边长求四棱锥定点的几何问题。

以左下角超声接收器为原点建立图 2 所示的空间直角坐标系，以 S1，S2，S3 为例，列出以下三元二次方程 ：

同理对 S2，S3，S4 ；S1，S2，S4 ；S1，S3，S4 三组数据进行计算，又可得到对应的坐标 Point 2，Point 3，Point 4。将此四值进行均值处理后可得到相对准确的三维坐标信息，被保存在控制模块中。

4 控制单元设计

当前，四旋翼的控制结构一般为 ：接收机与遥控发射机以 2.4 GHz 无线通信方式传输信号，接收机与飞控有线连接。但基于降落过程专项单元专项控制的思想，笔者设置了嵌入式单片机作为飞控的辅助控制单元 ：将飞控与接收机通过STM32 单片机相连。在飞行辅助控制装置与定位装置的控制端间设置 LoRa 无线通信模块，解决坐标信息的“机 - 地”传输 ；搭载 MPU6050 传感器以实时获取姿态角信息。三维坐标信息（x，y，z）与姿态角信息（pitch，roll，yaw）两组六项数据共同为无人机姿态控制提供更新变量，采用常见的无人机PID 控制算法即可实现对无人机降落阶段的精准控制 [6-7]。

作为飞行辅助控制装置的核心，STM32 单片机通过定时器捕获和输出 PWM 波信号可实现对遥控器控制的接收机信号的获取以及向飞控等输出值的过程，即遥控飞行模式 ；以获取到坐标作为中断触发标志，可切换至降落模式。

专项控制思路因并未对原有结构本身做出改变，仅仅是在两个原有模块中增加了一个连接单元，所以几乎适用于各类机型，通用性较强。优化的无人机控制单元结构图如图 3所示。

5 无线充电设计

在精准降落的前提下，笔者在降落平台上增加无线充电装置以实现降落后无人机更加便捷地能量补充。当前市面上的无线充电装置种类繁多，其原理依据大都是以发射线圈和接收线圈谐振方式的磁传输 [8]。

降落平台的中心部分被绝缘物质圆形填充，避免耦合时导体材料的干扰 [9]。无人机电池与接收线圈相连，随无人机精准降落后与发射线圈对接，此时打开发射线圈的电源开关即可开始充电。此功能省去了操作员插拔接线的多余工作， 同时也避免了可能出现的接口损坏等状况。无线充电原理图如图 4 所示。

6 实验验证

6.1 定位实验

定位实验时，在超声波发射端采用独立电源供电并单独固定放置，如图 5 所示。

定位具体步骤为 ：

(1) 将降落平台垂直于桌面放置，即“一发四收”定位图 8 多次降落点位置分布图装置的四个接收端所在平面垂直于桌面 ；

(2) 将单独供电的超声波发射端也垂直于桌面并使发射头直射向四个接收端 ；

(3) 遵循之前设定的三维坐标系，可通过测量方式较为准确地给出当前超声波发射端在此坐标系中的坐标值，将定位装置所测得的坐标值与实测坐标值比较并记录 ；

(4) 调整超声波发射端在上述坐标系中的位置，重复步骤（3）以得到多组对比值，如图 6 所示。

6.2 降落实验

本文设计如图 7 所示的平台作为无人机降落后的支撑部分以及各模块的搭载平台。四个超声波接收探头嵌置于小圆孔下，且探头通过小圆孔露出，同时保证探头与平台表面处于同一水平面。

为了保证降落实验的安全性，采用 5 mm 牵引绳连接无人机机架并将另一端于地面固定。在平台上不同的空位置开始降落，降落结束后测量无人机几何中心相对降落平台位置。 图 8 为随机放置无人机开始降落过程后，无人机最终降落点位置分布图。显然可以观察到几乎所有降落点都与降落阈值边界所构成的边长为 2 cm 的正方形吻合，说明了定位装置及降落算法的可行性。

7 结 语

本文设计一种以四旋翼无人机为对象的精准降落平台并能够对降落后的无人机进行无线充电。通过理论分析和实验验证，本文的降落方案可行且定位装置的实时精度可达毫米级，设置降落精度可达厘米级，同时平台搭载无线充电装置避免了有线充电方式繁琐和反复插拔导致的接口损坏现象，提升飞行作业效率。以该降落平台为基础，可以发展包括车载无人机 [10]、物流无人机、巡防无人机等众多无人机产业，助力无人机技术和应用的发展，具有广阔的市场前景。