2026年電賽D題——陸空協(xié)同無(wú)人機(jī)系統(tǒng)摘要陸空協(xié)同無(wú)人機(jī)系統(tǒng)由四旋翼飛行器、循跡小車和無(wú)線通信地面站構(gòu)成。四旋翼無(wú)人機(jī)與循線小車均選用TM4C123GH6PM 作為主控芯片主控板高度集成的 MPU-6050 提供 6 軸運(yùn)動(dòng)融合數(shù)據(jù)輸出進(jìn)行姿態(tài)解算實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)控制。陸空協(xié)同系統(tǒng)采用 ESP32 構(gòu)建 ESP-NOW 無(wú)線廣播網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)、小車與地面站三節(jié)點(diǎn)間的實(shí)時(shí)位姿共享與指令交互。激光雷達(dá)搭配樹(shù)莓派 4B 實(shí)現(xiàn)同步定位與建圖(SLAM)配合主控板進(jìn)行慣導(dǎo)融合并引入激光測(cè)距模塊實(shí)現(xiàn)定高控制完成無(wú)人機(jī)位置獲取與精確作業(yè)。配備俯視 OPENMV 作為視覺(jué)模塊通過(guò)對(duì)小車平臺(tái)同心圓環(huán)與十字標(biāo)志的識(shí)別解算相對(duì)位姿實(shí)現(xiàn)伴飛跟蹤、物資精準(zhǔn)拋投與動(dòng)態(tài)起降。小車使用編碼器與角速度閉環(huán)PID保證循線精度地面站圖形化實(shí)時(shí)顯示二者的位置與運(yùn)行狀態(tài)。本方案所采用的設(shè)計(jì)方案先進(jìn)有效已全部實(shí)現(xiàn)競(jìng)賽試題中的各項(xiàng)指標(biāo)要求。關(guān)鍵詞陸空協(xié)同、TM4C123GH6PM、慣導(dǎo)融合、ESP32通信、角速度閉環(huán)1.系統(tǒng)方案1.1方案比較與選擇1.1.1控制板模塊方案論證方案一采用STM32F103ZET6芯片。該芯片具有豐富的外設(shè)接口72 MHz的芯片主頻和512KB的FLASH能使用較多場(chǎng)景16路PWM輸出和5路USART滿足日常使用但對(duì)于高算力和性能的應(yīng)用仍較難適配。方案二采用TM4C123GH6PM的芯片。該芯片主頻80MHZ自帶2KEEPROM支持單精度和DSP運(yùn)算8路串口URAT6路I2C通訊PWM輸出多達(dá)16路12個(gè)定時(shí)器Timer數(shù)據(jù)處理能力較強(qiáng)能對(duì)多組數(shù)據(jù)進(jìn)行更高階次的曲線擬合拓展性好。基于上述分析無(wú)人機(jī)系統(tǒng)采用方案二更符合總體設(shè)計(jì)要求最大程度上增強(qiáng)飛控處理數(shù)據(jù)的能力及拓展性。地面站使用方案一基礎(chǔ)開(kāi)發(fā)更加簡(jiǎn)便快捷。1.1.2無(wú)人機(jī)定位傳感器方案論證方案一光流傳感器。 光流模塊可以用來(lái)感知機(jī)體的水平運(yùn)動(dòng)狀態(tài)測(cè)量水平方向的位移速度通常在室內(nèi)使用光流數(shù)據(jù)輸出穩(wěn)定需要拍攝的地面需要有一定紋理圖案、充足的光照條件。方案二激光雷達(dá)。激光SLAM系統(tǒng)通過(guò)對(duì)不同時(shí)刻兩片點(diǎn)云的匹配與比對(duì)計(jì)算激光雷達(dá)相對(duì)運(yùn)動(dòng)的距離和姿態(tài)的改變完成無(wú)人機(jī)自身的定位。激光雷達(dá)精確度較高誤差模型簡(jiǎn)單在強(qiáng)光直射以外的環(huán)境中運(yùn)行穩(wěn)定點(diǎn)云信息本身包含直接的幾何關(guān)系使得無(wú)人機(jī)的路徑規(guī)劃和導(dǎo)航變得直觀。方案三UWBUWB定位基于超寬帶無(wú)線脈沖技術(shù)……300字分析1.1.3地面站無(wú)線通信方案論證完整版word文檔請(qǐng)私信作者獲取交流學(xué)習(xí)1.2總體方案描述無(wú)人機(jī)與小車系統(tǒng)均采用TM4C123GH6PM芯片。無(wú)人機(jī)配合激光雷達(dá)SLAM定位系統(tǒng)實(shí)時(shí)獲取水平位姿由TOFSense-m提供高度觀測(cè)與MPU-6050輸出進(jìn)行慣導(dǎo)融合和姿態(tài)解算控制無(wú)人機(jī)的姿態(tài)、速度、位置等狀態(tài)小車采用灰度傳感器陣列循線由編碼器測(cè)程與角速度閉環(huán)推算自身在軌跡上的弧長(zhǎng)與坐標(biāo)。三節(jié)點(diǎn)通過(guò)ESP-NOW廣播網(wǎng)絡(luò)交互小車一鍵啟動(dòng)后廣播啟動(dòng)指令并持續(xù)播發(fā)自身位姿與速度無(wú)人機(jī)據(jù)此起飛并建立伴飛前饋同時(shí)廣播自身位姿與任務(wù)狀態(tài)碼地面站經(jīng)USB接收節(jié)點(diǎn)獲取全部數(shù)據(jù)幀并圖形化顯示。搭載的俯視OPENMV對(duì)小車平臺(tái)中心的30cm/50cm同心圓環(huán)與十字圖案進(jìn)行識(shí)別解算相對(duì)平臺(tái)中心的位置偏差與航向偏差構(gòu)成視覺(jué)伺服閉環(huán)拋投任務(wù)中依據(jù)偏差判據(jù)觸發(fā)舵機(jī)釋放機(jī)構(gòu)完成物資投放動(dòng)態(tài)起降任務(wù)中依據(jù)偏差分段下降完成運(yùn)動(dòng)平臺(tái)上的自主降落與二次起飛。2.系統(tǒng)理論分析與計(jì)算2.1控制方案的設(shè)計(jì)與分析2.1.1 姿態(tài)控制利用TM4C123GH6PM芯片內(nèi)部集成的MPU-6050芯片通過(guò)i2c協(xié)議從中讀取當(dāng)前的姿態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)濾波數(shù)據(jù)融合和姿態(tài)解算輸出期望姿態(tài)角度、角速度等然后分配PWM(到電調(diào))進(jìn)行電機(jī)控制……300字分析2.1.2無(wú)人機(jī)起飛及懸停競(jìng)賽試題中對(duì)無(wú)人機(jī)提出150±10cm的巡航高度要求起飛、懸停和降落依靠TOFSense-m返回的面陣像素?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行距離計(jì)算通過(guò)得到的高度對(duì)初始設(shè)定油門(mén)進(jìn)行調(diào)節(jié)在加速度傳感器輸出趨近于0時(shí)電機(jī)的轉(zhuǎn)速所形成的升力恰好可以與重力平衡實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)懸停。當(dāng)動(dòng)態(tài)降落過(guò)程中測(cè)距模塊的觀測(cè)對(duì)象由地面切換為小車平臺(tái)上表面高度讀數(shù)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)等于平臺(tái)高度的階躍。程序中依據(jù)視覺(jué)是否鎖定平臺(tái)圓環(huán)標(biāo)志切換高度基準(zhǔn)避免階躍被高度環(huán)誤判為掉高而產(chǎn)生猛烈拉升。圖2-1 測(cè)距原理與高度基準(zhǔn)切換示意圖2.1.3 無(wú)人機(jī)實(shí)時(shí)位置定位與信息發(fā)送無(wú)人機(jī)的姿態(tài)解算和位置控制都是通過(guò)TM4飛控完成的但飛控需實(shí)時(shí)處理外部傳感器的觀測(cè)數(shù)據(jù)CPU占用率較高無(wú)法同時(shí)進(jìn)行飛行控制與實(shí)時(shí)在線……300字分析完整版word文檔請(qǐng)私信作者獲取交流學(xué)習(xí)2.2 參數(shù)的計(jì)算2.2.1 PID雙閉環(huán)控制2.2.2 點(diǎn)云數(shù)據(jù)解算2.2.3視覺(jué)位姿解算與伺服跟蹤俯視 OPENMV 對(duì)小車平臺(tái)中心圖案進(jìn)行識(shí)別。該圖案由直徑50cm與30cm的同心圓環(huán)及十字線構(gòu)成屬于尺度已知的合作靶標(biāo)可由單目圖像直接反解相對(duì)位姿。設(shè)相機(jī)等效焦距為f像素檢測(cè)得到圓環(huán)在圖像中的直徑為d像素依據(jù)針孔成像模型無(wú)人機(jī)相對(duì)平臺(tái)上表面的高度為設(shè)圓心在圖像中的像素坐標(biāo)為 (u,v)圖像主點(diǎn)為 (u0,v0)則無(wú)人機(jī)相對(duì)平臺(tái)中心的水平偏差為十字圖案的兩條直線經(jīng)霍夫變換擬合后其方向角與機(jī)體坐標(biāo)系 x 軸的夾角即為航向偏差 Δψ用于降落前的偏航對(duì)齊。取相機(jī)水平視場(chǎng)角 2α 70°在巡航高度Z150cm時(shí)視場(chǎng)覆蓋寬度為即視場(chǎng)可覆蓋約2.1m×1.6m區(qū)域遠(yuǎn)大于60cm×60cm的小車平臺(tái)故SLAM定位誤差只需優(yōu)于30cm即可保證平臺(tái)穩(wěn)定進(jìn)入視場(chǎng)后續(xù)由視覺(jué)閉環(huán)承擔(dān)全部精度要求。隨著高度下降50cm外圓將逐漸超出視場(chǎng)。由式(7)可得當(dāng)Z71cm時(shí)外圓直徑超過(guò)視場(chǎng)寬度的70%檢測(cè)穩(wěn)定性下降故設(shè)置多尺度切換策略Z80cm時(shí)以50cm外圓為跟蹤目標(biāo)Z≤80cm時(shí)切換至30cm內(nèi)圓與十字交點(diǎn)。伴飛控制采用前饋加反饋復(fù)合結(jié)構(gòu)。設(shè)小車經(jīng)數(shù)據(jù)鏈廣播的速度為vc、航向?yàn)?ψc則無(wú)人機(jī)期望速度為式(8)中前饋?lái)?xiàng)使無(wú)人機(jī)速度與小車同步消除純反饋結(jié)構(gòu)固有的跟蹤滯后從而滿足賽題對(duì)“伴飛狀態(tài)”中相對(duì)位置、航向、速度近似同步的定義。圖2-6 視覺(jué)位姿解算與伺服跟蹤示意圖3.電路與程序設(shè)計(jì)3.1.系統(tǒng)總體框圖設(shè)計(jì)系統(tǒng)由無(wú)人機(jī)子系統(tǒng)、小車子系統(tǒng)與地面站三部分構(gòu)成。無(wú)人機(jī)子系統(tǒng)以 TM4C123GH6PM 為核心外接 MPU-6050、TOFSense-m、OPENMV、舵機(jī)拋投機(jī)構(gòu)、電調(diào)與電機(jī)并經(jīng)串口連接樹(shù)莓派 4B掛載激光雷達(dá)與 ESP32 數(shù)據(jù)鏈模塊。小車子系統(tǒng)以 TM4C123GH6PM 為核心外接 MPU-6050、灰度傳感器陣列、編碼器電機(jī)與電機(jī)驅(qū)動(dòng)經(jīng)串口連接 ESP32 數(shù)據(jù)鏈模塊。地面站由筆記本電腦與 USB 接口的 ESP32 接收節(jié)點(diǎn)構(gòu)成。圖 3-1 系統(tǒng)總體框圖3.2 程序的設(shè)計(jì)3.2.1程序功能描述與設(shè)計(jì)思路3.2.2程序流程圖圖3-2 飛行控制流程圖 3-3 小車循線與位姿推算流程完整版word文檔請(qǐng)私信作者獲取交流學(xué)習(xí)4.測(cè)試方案與測(cè)試結(jié)果4.1 測(cè)試方案對(duì)程序進(jìn)行獨(dú)立分塊使用Debug 仿真、硬件軟件聯(lián)調(diào)的方式進(jìn)行測(cè)試。分模塊對(duì)一鍵起飛、懸停定高、循線勻速、視覺(jué)位姿解算、數(shù)據(jù)鏈?zhǔn)瞻l(fā)等子任務(wù)進(jìn)行調(diào)試測(cè)試完畢后在實(shí)驗(yàn)室自主搭建的安全網(wǎng)空間內(nèi)按賽題場(chǎng)地尺寸鋪設(shè)軌跡進(jìn)行整體測(cè)試。測(cè)試任務(wù)一無(wú)人機(jī)懸停定高精度與伴飛跟蹤誤差測(cè)試測(cè)試方式小車以 0.15m/s 勻速循線行進(jìn)無(wú)人機(jī)自 H 點(diǎn)起飛至 150cm 懸停 3s 后轉(zhuǎn)入伴飛記錄懸停高度與伴飛段的水平跟蹤誤差。測(cè)試任務(wù)二……300字分析表 4-2 拋投與動(dòng)態(tài)起降測(cè)試4.2 測(cè)試結(jié)果及改進(jìn)經(jīng)第一次測(cè)試無(wú)人機(jī)在伴飛段存在明顯跟蹤滯后水平誤差在小車進(jìn)入弧段時(shí)顯著增大原因?yàn)榭刂坡蓛H采用視覺(jué)純反饋無(wú)人機(jī)始終處于追趕狀態(tài)。引入式(8)的速度前饋?lái)?xiàng)后以小車廣播速度作為期望基準(zhǔn)視覺(jué)偏差僅承擔(dān)修正作用伴飛水平誤差由 15 cm 以上降至 8 cm 以內(nèi)。第二次測(cè)試中拋投落點(diǎn)散布偏大系釋放瞬間殘余姿態(tài)角使物體獲得附加水平初速度所致在觸發(fā)判據(jù)中增加姿態(tài)角約束并將釋放高度降至 70 cm 后落點(diǎn)明顯收斂。動(dòng)態(tài)降落曾出現(xiàn)著地彈跳改為 30 cm 以下快速下壓、以觸地判據(jù)立即鎖槳后予以消除。綜合改進(jìn)后系統(tǒng)的定位精度與動(dòng)作一致性明顯提升。