2026年電賽D題——陸空協同無人機系統摘要陸空協同無人機系統由四旋翼飛行器、循跡小車和無線通信地面站構成。四旋翼無人機與循線小車均選用TM4C123GH6PM 作為主控芯片主控板高度集成的 MPU-6050 提供 6 軸運動融合數據輸出進行姿態解算實現運動控制。陸空協同系統采用 ESP32 構建 ESP-NOW 無線廣播網絡實現無人機、小車與地面站三節點間的實時位姿共享與指令交互。激光雷達搭配樹莓派 4B 實現同步定位與建圖(SLAM)配合主控板進行慣導融合并引入激光測距模塊實現定高控制完成無人機位置獲取與精確作業。配備俯視 OPENMV 作為視覺模塊通過對小車平臺同心圓環與十字標志的識別解算相對位姿實現伴飛跟蹤、物資精準拋投與動態起降。小車使用編碼器與角速度閉環PID保證循線精度地面站圖形化實時顯示二者的位置與運行狀態。本方案所采用的設計方案先進有效已全部實現競賽試題中的各項指標要求。關鍵詞陸空協同、TM4C123GH6PM、慣導融合、ESP32通信、角速度閉環1.系統方案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接口72 MHz的芯片主頻和512KB的FLASH能使用較多場景16路PWM輸出和5路USART滿足日常使用但對于高算力和性能的應用仍較難適配。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運算8路串口URAT6路I2C通訊PWM輸出多達16路12個定時器Timer數據處理能力較強能對多組數據進行更高階次的曲線擬合拓展性好?；谏鲜龇治鰺o人機系統采用方案二更符合總體設計要求最大程度上增強飛控處理數據的能力及拓展性。地面站使用方案一基礎開發更加簡便快捷。1.1.2無人機定位傳感器方案論證方案一光流傳感器。 光流模塊可以用來感知機體的水平運動狀態測量水平方向的位移速度通常在室內使用光流數據輸出穩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。激光SLAM系統通過對不同時刻兩片點云的匹配與比對計算激光雷達相對運動的距離和姿態的改變完成無人機自身的定位。激光雷達精確度較高誤差模型簡單在強光直射以外的環境中運行穩定點云信息本身包含直接的幾何關系使得無人機的路徑規劃和導航變得直觀。方案三UWBUWB定位基于超寬帶無線脈沖技術……300字分析1.1.3地面站無線通信方案論證完整版word文檔請私信作者獲取交流學習1.2總體方案描述無人機與小車系統均采用TM4C123GH6PM芯片。無人機配合激光雷達SLAM定位系統實時獲取水平位姿由TOFSense-m提供高度觀測與MPU-6050輸出進行慣導融合和姿態解算控制無人機的姿態、速度、位置等狀態小車采用灰度傳感器陣列循線由編碼器測程與角速度閉環推算自身在軌跡上的弧長與坐標。三節點通過ESP-NOW廣播網絡交互小車一鍵啟動后廣播啟動指令并持續播發自身位姿與速度無人機據此起飛并建立伴飛前饋同時廣播自身位姿與任務狀態碼地面站經USB接收節點獲取全部數據幀并圖形化顯示。搭載的俯視OPENMV對小車平臺中心的30cm/50cm同心圓環與十字圖案進行識別解算相對平臺中心的位置偏差與航向偏差構成視覺伺服閉環拋投任務中依據偏差判據觸發舵機釋放機構完成物資投放動態起降任務中依據偏差分段下降完成運動平臺上的自主降落與二次起飛。2.系統理論分析與計算2.1控制方案的設計與分析2.1.1 姿態控制利用TM4C123GH6PM芯片內部集成的MPU-6050芯片通過i2c協議從中讀取當前的姿態數據進行數據濾波數據融合和姿態解算輸出期望姿態角度、角速度等然后分配PWM(到電調)進行電機控制……300字分析2.1.2無人機起飛及懸停競賽試題中對無人機提出150±10cm的巡航高度要求起飛、懸停和降落依靠TOFSense-m返回的面陣像素數據進行距離計算通過得到的高度對初始設定油門進行調節在加速度傳感器輸出趨近于0時電機的轉速所形成的升力恰好可以與重力平衡實現平穩懸停。當動態降落過程中測距模塊的觀測對象由地面切換為小車平臺上表面高度讀數會產生一個等于平臺高度的階躍。程序中依據視覺是否鎖定平臺圓環標志切換高度基準避免階躍被高度環誤判為掉高而產生猛烈拉升。圖2-1 測距原理與高度基準切換示意圖2.1.3 無人機實時位置定位與信息發送無人機的姿態解算和位置控制都是通過TM4飛控完成的但飛控需實時處理外部傳感器的觀測數據CPU占用率較高無法同時進行飛行控制與實時在線……300字分析完整版word文檔請私信作者獲取交流學習2.2 參數的計算2.2.1 PID雙閉環控制2.2.2 點云數據解算2.2.3視覺位姿解算與伺服跟蹤俯視 OPENMV 對小車平臺中心圖案進行識別。該圖案由直徑50cm與30cm的同心圓環及十字線構成屬于尺度已知的合作靶標可由單目圖像直接反解相對位姿。設相機等效焦距為f像素檢測得到圓環在圖像中的直徑為d像素依據針孔成像模型無人機相對平臺上表面的高度為設圓心在圖像中的像素坐標為 (u,v)圖像主點為 (u0,v0)則無人機相對平臺中心的水平偏差為十字圖案的兩條直線經霍夫變換擬合后其方向角與機體坐標系 x 軸的夾角即為航向偏差 Δψ用于降落前的偏航對齊。取相機水平視場角 2α 70°在巡航高度Z150cm時視場覆蓋寬度為即視場可覆蓋約2.1m×1.6m區域遠大于60cm×60cm的小車平臺故SLAM定位誤差只需優于30cm即可保證平臺穩定進入視場后續由視覺閉環承擔全部精度要求。隨著高度下降50cm外圓將逐漸超出視場。由式(7)可得當Z71cm時外圓直徑超過視場寬度的70%檢測穩定性下降故設置多尺度切換策略Z80cm時以50cm外圓為跟蹤目標Z≤80cm時切換至30cm內圓與十字交點。伴飛控制采用前饋加反饋復合結構。設小車經數據鏈廣播的速度為vc、航向為 ψc則無人機期望速度為式(8)中前饋項使無人機速度與小車同步消除純反饋結構固有的跟蹤滯后從而滿足賽題對“伴飛狀態”中相對位置、航向、速度近似同步的定義。圖2-6 視覺位姿解算與伺服跟蹤示意圖3.電路與程序設計3.1.系統總體框圖設計系統由無人機子系統、小車子系統與地面站三部分構成。無人機子系統以 TM4C123GH6PM 為核心外接 MPU-6050、TOFSense-m、OPENMV、舵機拋投機構、電調與電機并經串口連接樹莓派 4B掛載激光雷達與 ESP32 數據鏈模塊。小車子系統以 TM4C123GH6PM 為核心外接 MPU-6050、灰度傳感器陣列、編碼器電機與電機驅動經串口連接 ESP32 數據鏈模塊。地面站由筆記本電腦與 USB 接口的 ESP32 接收節點構成。圖 3-1 系統總體框圖3.2 程序的設計3.2.1程序功能描述與設計思路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文檔請私信作者獲取交流學習4.測試方案與測試結果4.1 測試方案對程序進行獨立分塊使用Debug 仿真、硬件軟件聯調的方式進行測試。分模塊對一鍵起飛、懸停定高、循線勻速、視覺位姿解算、數據鏈收發等子任務進行調試測試完畢后在實驗室自主搭建的安全網空間內按賽題場地尺寸鋪設軌跡進行整體測試。測試任務一無人機懸停定高精度與伴飛跟蹤誤差測試測試方式小車以 0.15m/s 勻速循線行進無人機自 H 點起飛至 150cm 懸停 3s 后轉入伴飛記錄懸停高度與伴飛段的水平跟蹤誤差。測試任務二……300字分析表 4-2 拋投與動態起降測試4.2 測試結果及改進經第一次測試無人機在伴飛段存在明顯跟蹤滯后水平誤差在小車進入弧段時顯著增大原因為控制律僅采用視覺純反饋無人機始終處于追趕狀態。引入式(8)的速度前饋項后以小車廣播速度作為期望基準視覺偏差僅承擔修正作用伴飛水平誤差由 15 cm 以上降至 8 cm 以內。第二次測試中拋投落點散布偏大系釋放瞬間殘余姿態角使物體獲得附加水平初速度所致在觸發判據中增加姿態角約束并將釋放高度降至 70 cm 后落點明顯收斂。動態降落曾出現著地彈跳改為 30 cm 以下快速下壓、以觸地判據立即鎖槳后予以消除。綜合改進后系統的定位精度與動作一致性明顯提升。