抗疫空中四旋翼机器人查看源代码讨论查看历史

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抗疫空中四旋翼机器人2020年初，新冠疫情在国内爆发，举国进入抗疫状态，目前国内疫情防控成果显著，总体情况正在好转。在此次抗疫战斗中，无人机的身影出现在高速路口、乡间村落、城市楼宇、田间农地、医院工厂等场景，在抗疫前线发挥了重要的作用。

无人机作为智能无人化工作的代表，具有高效无休的工作能力、零接触的工作特点，成为阻断疫情传播的防控利器，在安防巡检、消杀作业、物流配送、宣传喊话、照明测温、农业植保等方面发挥了重要的作用。疫情期间时间紧迫，各种物资的运输速度、无接触配送往往影响抗击疫情的成果。抗疫空中四旋翼机器人的研究与设计具有重要的现实意义和使用价值。

因此本设计使用四旋翼无人机定点运输抗疫物资，包括四旋翼无人机运输系统和物资管理系统。四旋翼无人机运输系统可按照物资管理系统指定位置自主运载物资到达目的地，并通过WiFi模块把相关数据传输至上位机物资管理系统中，对物资数据进行分析、记录和统计。本系统相对于传统的物资运输模式，对抗疫期间提升物资运输速度和规范化物资管理具有重要意义。

本设计进行了大量的实验模拟测试，证明该设计方法的可行性。所设计的抗疫空中四旋翼机器人不仅可以记录、管理物资数据，并且可以快速运输物资到达目的地。该设计具有完成效率高、应用范围广、抗干扰能力强等优点。

技术方案

抗疫空中四旋翼机器人总体设计

本设计结构框图如图1所示。物资管理系统前端使用的是HTML+ CSS+JS进行编写，后端采用GO进行编写。执行部分是四旋翼无人机运输系统，四旋翼无人机把物资运输至指定目的地，并把物资信息通过WiFi模块传输给上位机物资管理系统。物资管理人员可以通过上位机界面中的日志获取物资运输的数据，便于物资管理人员工作。本设计采用光流模块反馈四旋翼无人机位置信息，以此实现四旋翼无人机自主运输物资的目的，采用MPU6050模块获取四旋翼无人机姿态数据，采用气压计模块获取四旋翼无人机飞行高度数据。由于要显示四旋翼无人机高度数据、姿态数据、电池电量等信息，需要OLED显示屏模块。

四元数算法

本设计采用四元数算法对四旋翼无人机进行姿态解算。运用四元数算法只要求解四个未知量的线性微分方程组。该方法计算量小，使用简便，是一种实用的工程方法。

四元数是一种超复数，与复数能表示的二维空间相比，四元数能表示一个四维空间。因此刚体旋转的所有信息都能用四元数表示。在四旋翼无人机运输系统中，使用四元数对无人机姿态进行解算。

互补滤波算法

陀螺仪可以实时测量四旋翼无人机角速度数据，对陀螺仪测得的角速度数据进行积分处理可以得到无人机角度数据。然而陀螺仪的安装会产生零点漂移，温度变化会产生温漂，并且长期运行时会存在累积误差。因此仅运用陀螺仪计算得到的角度数据，对无人机姿态进行控制并不可靠。

加速度计具有良好的静态性能，可以在无人机静态状态下提供准确的角度值。但是无人机在飞行时会出现高频振动的现象，对加速计测量数据的准确性影响很大。当四旋翼无人机角度发生变化，即使角度变化不大，加速计测得数据也会出现剧烈变化。因此也不能单独运用加速计提供的角度数据，对无人机姿态进行控制。

本设计采用互补滤波算法，通过把加速计与陀螺仪两部分数据按权重组合起来，使其输出一个更加有意义、准确的线性估计值。

气压计温度补偿

在一定温度下，每当高度上升时，气压会随着高度升高而减小，气压计传感器所测气压值与高度成比例关系，因此可以通过气压值的变化，计算得到四旋翼无人机相对高度变化。

因为大气压强会受到风力的影响，所以风力变化会影响气压计测得气压数据的准确性，同时光照强度变化也对气压计有影响，所以本设计对气压计模块做了封闭处理，这样可以减少外界因素的影响。虽然屏蔽了风力变化和光照变化带来的影响，解决温度变化对气压计的影响在硬件上却很难实现，所以需对气压计所测数据进行温度补偿。

四旋翼无人机高度值传感器融合

本设计通过惯性传感器测得的数据估算四旋翼无人机飞行高度。MPU6050模块能够测量四旋翼无人机Z轴加速度，通过对Z轴加速度进行两次积分处理，得到四旋翼无人机Z轴位移量，进一步计算得到四旋翼无人机飞行高度。但是长时间用惯性传感器测得加速度值，再通过积分处理，得到的四旋翼无人机飞行高度会产生严重漂移，因此需要利用气压计对估算的高度值进行修正。

虽然气压计对低频段响应较好，但是对高频段数据变化缓慢，所以需要与惯性单元进行融合定高。用气压计测得的高度值与惯性传感器经两次积分处理后的数据进行融合得到四旋翼无人机的飞行高度。

气压计测得高度数据波形和MPU6050模块计算得到高度数据波形如图12所示，蓝色曲线为气压计测得高度数据波形，红色曲线为MPU6050模块估算的高度数据波形，绿色为融合两者数据后的高度数据波形。