基于超声波测距技术的小型无人机高度测量方法研究

摘要

高度数据是小型无人机飞行控制的重要参数，目前普遍采用气压传感器感知大气压强变化，通过气压高度公式计算得到海拔高度，或直接由 GPS接收模块的NMEA0183数据报文得到海拔高度数据。为实现小型无人机的自主起飞、着陆或在地形复杂的环境下超低空飞行，需要获得较高精度的相对高度数据。微小型无人机对飞控系统的重量、体积和功耗有着苛刻的限制，难以通过无线电高度表、测距雷达等传统成熟手段获得相对高度数据。近年来，采用超声波测距技术获取更高精度相对高度数据的方法以短距离超声测距传感器体积小、重量轻、功耗低及精度高的优势，在微小型无人机飞控系统中正受到越来越多的重视。
　　本文分析论述了小型无人机飞行控制对高度参数的测量需求、各种高度测量技术的原理和特点以及国内外小型无人机高度测量技术的研究与应用现状；深入分析研究了空气的温湿度和气压、超声换能器输出信号频率和波束角、多普勒效应和不同飞行状态等多种因素对小型无人机超声波高度测量的影响。
　　为对小型无人机超声波高度测量的静、动态特性进行实验研究和测试验证，设计搭建了一个由ARM Contex-M3微控制器STM32F103TB开发板、无线数传电台和Phantom2微型四旋翼无人机构成的实验研究平台。文中详细论述了平台嵌入式软件系统的总体结构、软件模拟I2C接口和UART接口、主要传感器数据采集与处理、通信数据帧封装与无线发送等各关键程序模块的设计思想和过程，以及上位机软件中数据无线接收、显示和记录等功能的设计与实现。借助该平台，对采用数字式超声波测距模块 KS103获取小型无人机相对高度参数的诸多关键问题进行了测试分析和实验研究，论文分析讨论了在不同测试条件下获得的静态测试数据，和搭载Phantom2在室外不同地面条件下飞行测试获得的动态数据，给出了由静、动态测试数据得到的分析结论。
　　希望本文对超声波高度测量方法涉及的关键问题进行的理论分析和实验研究结论可供微小型无人机高度测量技术研究与飞行控制系统设计参考借鉴。

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第一章 引 言

1.1 小型无人机高度测量需求

1.2 国内外研究与应用现状

1.3 研究目标与主要工作内容

第二章 无人机常用高度测量方法

2.1飞行高度参数

2.2 绝对高度的测量

2.3 相对高度的测量

2.4 常用飞行高度测量方法比较

第三章 影响超声波高度测量精度的因素

3.1 超声波高度测量的关键问题

3.2 超声波在空气中的传播速度

3.3 超声波在空气中传播的衰减

3.4 波束角

3.5 多普勒效应

3.6 载体的运动状态

第四章 实验研究与测试平台设计

4.1 硬件设计

4.2 软件总体功能结构

4.3 软件模拟UART和I2C总线通信接口

4.4 传感器数据采集

4.5 数据帧封装与发送

4.6 上位机软件设计

第五章 实验测试与数据分析

5.1 静态实验测试与数据分析

5.2 动态实验测试与数据分析

结论

1. 完成的研究工作内容

2. 研究工作结论

3. 存在的问题及对后续研究工作的建议

参考文献

致谢

附录A 超声波传感器与模块

附录B 室内动态测试数据

附录C 室外动态测试数据