抗疫空中四旋翼機器人檢視原始碼討論檢視歷史

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抗疫空中四旋翼機器人2020年初，新冠疫情在國內爆發，舉國進入抗疫狀態，目前國內疫情防控成果顯著，總體情況正在好轉。在此次抗疫戰鬥中，無人機的身影出現在高速路口、鄉間村落、城市樓宇、田間農地、醫院工廠等場景，在抗疫前線發揮了重要的作用。

無人機作為智能無人化工作的代表，具有高效無休的工作能力、零接觸的工作特點，成為阻斷疫情傳播的防控利器，在安防巡檢、消殺作業、物流配送、宣傳喊話、照明測溫、農業植保等方面發揮了重要的作用。疫情期間時間緊迫，各種物資的運輸速度、無接觸配送往往影響抗擊疫情的成果。抗疫空中四旋翼機器人的研究與設計具有重要的現實意義和使用價值。

因此本設計使用四旋翼無人機定點運輸抗疫物資，包括四旋翼無人機運輸系統和物資管理系統。四旋翼無人機運輸系統可按照物資管理系統指定位置自主運載物資到達目的地，並通過WiFi模塊把相關數據傳輸至上位機物資管理系統中，對物資數據進行分析、記錄和統計。本系統相對於傳統的物資運輸模式，對抗疫期間提升物資運輸速度和規範化物資管理具有重要意義。

本設計進行了大量的實驗模擬測試，證明該設計方法的可行性。所設計的抗疫空中四旋翼機器人不僅可以記錄、管理物資數據，並且可以快速運輸物資到達目的地。該設計具有完成效率高、應用範圍廣、抗干擾能力強等優點。

技術方案

抗疫空中四旋翼機器人總體設計

本設計結構框圖如圖1所示。物資管理系統前端使用的是HTML+ CSS+JS進行編寫，後端採用GO進行編寫。執行部分是四旋翼無人機運輸系統，四旋翼無人機把物資運輸至指定目的地，並把物資信息通過WiFi模塊傳輸給上位機物資管理系統。物資管理人員可以通過上位機界面中的日誌獲取物資運輸的數據，便於物資管理人員工作。本設計採用光流模塊反饋四旋翼無人機位置信息，以此實現四旋翼無人機自主運輸物資的目的，採用MPU6050模塊獲取四旋翼無人機姿態數據，採用氣壓計模塊獲取四旋翼無人機飛行高度數據。由於要顯示四旋翼無人機高度數據、姿態數據、電池電量等信息，需要OLED顯示屏模塊。

四元數算法

本設計採用四元數算法對四旋翼無人機進行姿態解算。運用四元數算法只要求解四個未知量的線性微分方程組。該方法計算量小，使用簡便，是一種實用的工程方法。

四元數是一種超複數，與複數能表示的二維空間相比，四元數能表示一個四維空間。因此剛體旋轉的所有信息都能用四元數表示。在四旋翼無人機運輸系統中，使用四元數對無人機姿態進行解算。

互補濾波算法

陀螺儀可以實時測量四旋翼無人機角速度數據，對陀螺儀測得的角速度數據進行積分處理可以得到無人機角度數據。然而陀螺儀的安裝會產生零點漂移，溫度變化會產生溫漂，並且長期運行時會存在累積誤差。因此僅運用陀螺儀計算得到的角度數據，對無人機姿態進行控制並不可靠。

加速度計具有良好的靜態性能，可以在無人機靜態狀態下提供準確的角度值。但是無人機在飛行時會出現高頻振動的現象，對加速計測量數據的準確性影響很大。當四旋翼無人機角度發生變化，即使角度變化不大，加速計測得數據也會出現劇烈變化。因此也不能單獨運用加速計提供的角度數據，對無人機姿態進行控制。

本設計採用互補濾波算法，通過把加速計與陀螺儀兩部分數據按權重組合起來，使其輸出一個更加有意義、準確的線性估計值。

氣壓計溫度補償

在一定溫度下，每當高度上升時，氣壓會隨着高度升高而減小，氣壓計傳感器所測氣壓值與高度成比例關係，因此可以通過氣壓值的變化，計算得到四旋翼無人機相對高度變化。

因為大氣壓強會受到風力的影響，所以風力變化會影響氣壓計測得氣壓數據的準確性，同時光照強度變化也對氣壓計有影響，所以本設計對氣壓計模塊做了封閉處理，這樣可以減少外界因素的影響。雖然屏蔽了風力變化和光照變化帶來的影響，解決溫度變化對氣壓計的影響在硬件上卻很難實現，所以需對氣壓計所測數據進行溫度補償。

四旋翼無人機高度值傳感器融合

本設計通過慣性傳感器測得的數據估算四旋翼無人機飛行高度。MPU6050模塊能夠測量四旋翼無人機Z軸加速度，通過對Z軸加速度進行兩次積分處理，得到四旋翼無人機Z軸位移量，進一步計算得到四旋翼無人機飛行高度。但是長時間用慣性傳感器測得加速度值，再通過積分處理，得到的四旋翼無人機飛行高度會產生嚴重漂移，因此需要利用氣壓計對估算的高度值進行修正。

雖然氣壓計對低頻段響應較好，但是對高頻段數據變化緩慢，所以需要與慣性單元進行融合定高。用氣壓計測得的高度值與慣性傳感器經兩次積分處理後的數據進行融合得到四旋翼無人機的飛行高度。

氣壓計測得高度數據波形和MPU6050模塊計算得到高度數據波形如圖12所示，藍色曲線為氣壓計測得高度數據波形，紅色曲線為MPU6050模塊估算的高度數據波形，綠色為融合兩者數據後的高度數據波形。