一种可自动调节避障范围的无人机及其工作方法设计

梁勇东 黄市生 曾志彬 吴国洪

（1.东莞理工学院机械工程学院，广东东莞523000；2.东莞市横沥模具科技产业发展有限公司，广东东莞523000）

0 引言

无人机作为一种新工具，能很好地代替人去执行任务，如送快递、侦查监测等[1]，人们希望无人机在执行任务时能够自我保护，因此自动避障技术成为了无人机领域发展的热点[2]。然而，现有的很多无人机避障范围是固定的，且该固定的避障距离一般在3 m以上，但避障距离被设定为固定值给飞行器的使用环境带来了局限性，例如不能在小于避障范围的环境中正常工作，否则在这些环境中飞行器的某两个相对方向的避障效应会造成飞行不稳定。针对以上不足，本文提出了一种可自动调节避障范围的无人机及其工作方法，将从机构设计方面与工作方法方面进行阐述。

1 硬件平台设计

本文所设计的无人机是一种四旋翼飞行器[3]，采用三层平台的设计方式，由下往上为第一层平台、第二层平台、第三层平台。无人机的机架呈“十”字样式，四个电机和螺旋桨分别设置在四个机臂轴的末端，构成四旋翼飞行器。PIX4飞控设置在第二层平台的上表面中心。pwm转ppm模块、接收机、ARM单片机设置在第三层平台的上表面，激光测距传感器设置在第一层平台的前后左右四个方向。

接收机的通道一（CH1）至通道八（CH8）的信号线分别与pwm转ppm模块的PA4、PA5、PB10～PB14、PA8电连接；ARM单片机特指具有五个串口的ARM单片机；4个激光测距传感器的TX、RX接口分别与ARM单片机的USART_RX2～USART_RX5、USART_TX2～USART_TX5接口电连接，进行串口通信，ARM单片机采集四个方向的测距信息；pwm转ppm模块的USART_TX2、USART_RX2分别与ARM单片机的USART_RX1、USART_TX1接口电连接，进行串口通信，ARM单片机将四个方向的测距信息整理为数组comdata形式发送给pwm转ppm模块；pwm转ppm模块的ppm信号输出引脚与PIX4飞控的ppm信号输入引脚电连接，进行模拟信号的传输。

2 工作方法设计

基于pwm转ppm模块，读取来自接收机的第一通道和第二通道的pwm值，第一通道记为pwm_analog0（其影响左右方向），第二通道记为pwm_analog1（其影响前后方向），并与相应的通道的基准值（1 400）比较。基准值是指飞行器在定点悬停时某一通道的稳定值，如果飞行器往某一方向飞行，飞行器在该方向上的脉冲值会相对基准值发生偏差变化，变大或变小发生于飞行方向的相对性之间。

工作方法主要为一种比例算法，原理式为：

其中，BZ代表避障距离；MC代表脉冲值，即MC=pwm_analog0或pwm_analog1，与飞行速度有关；|MC-1 400|max代表某一时刻脉冲量最大差值，用最大绝对值表示，该值越大，说明飞行器在某一方向的飞行速度越大；当飞行器往某个方向飞行时，脉冲量会相对基准值1 400变化，考虑其他方向存在脉冲量的波动情况，因此要选择脉冲量最大差值。

工作方法的具体步骤为：

（1）先计算pwm_analog0-1 400和pwm_analog1-1 400的绝 对值，即|pwm_analog0-1 400|和|pwm_analog0-1 400|，然后对两者进行比较，择取其中较大值，并初步选定了方向，若|pwm_analog0-1 400|＞|pwm_analog1-1 400|，说明飞行方向为左右方向中的其一；若|pwm_analog0-1 400|＜|pwm_analog1-1 400|，说明飞行方向为前后方向中的其一。

（2）通过比例运算BZ=（|MC-1 400|max）/6，即可实现飞行器根据飞行速度自动调节避障距离；提高飞行速度，避障距离自动增大，以保证足够的避障距离，避免高速飞行时发生避障距离不足的现象；降低飞行速度，避障距离自动减小，使得飞行器可以缓慢通过一些狭窄的环境。

（3）在（1）的基础上，进一步地判断MC与1 400之间的大小，即可确定需要调节避障范围的具体方向。例如，某一时刻通过程序运算获知|pwm_analog0-1 400|＞|pwm_analog1-1 400|，并且pwm_analog0＜1 400，说明飞行器正在以某一速度向左飞行，该飞行速度的大小由脉冲量与基准值之间的差值决定。

（4）加设BZ1（左方向的避障距离）、BZ2（右方向的避障距离）、BZ3（前方向的避障距离）和BZ4（后方向的避障距离）四个变量，当飞行器往某一方向飞行时，在该飞行方向上需要与之飞行速度匹配的避障距离，而其他三个方向上无需该匹配性，直接保持最小避障距离即可。因此，在程序中的运算方法为（假定飞行器正在向前飞）：BZ3=BZ（与飞行速度匹配的避障距离），BZ1=BZ2=BZ4=30（最小避障距离）。

（5）步骤（1）和（2）可以使得四个方向的避障范围都能同比例地自动增大或减小，此为避障模式一；步骤（1）至（4）可以只改变飞行方向上的避障距离，却让其他三个方向保持最小避障距离，此为避障模式二。两种模式之间的切换可通过地面站的二位开关进行，该二位开关通过无线连接接收机的第七通道，事先设定好外部中断触发对应的中断处理程序，每隔一段时间读取开关对应第七通道的状态值，从而判断开关的切换情况，进而通过中断处理程序切换两种避障模式。

3 结语

本文所做的工作总结如下：第一，根据目标功能设计了无人机机构；第二，根据功能要求设计了无人机的工作方法。所达到的效果是，提高无人机的飞行速度，其避障范围也相应增大；降低无人机的飞行速度，其避障范围也相应减小，使得无人机对飞行环境有了更高的适应性，解决了某些无人机因避障距离固定且较大而不能在狭窄环境中正常工作的问题。