头戴式超声跟随无人机系统 - V1.0 正式项目方案文档

头戴式超声波三维定位跟随无人机系统

头戴式超声跟随无人机系统 - V1.0 正式项目方案文档

文档版本：V1.0
日期：2026.05.29
适用：ESP32 + 40kHz 超声收发 + 6面红外避障

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1 项目概述

1.1 项目目标

实现无人机对人体头部的轻量、稳定、抗干扰三维跟随，采用反向定位架构：

• 超声波发射器戴在头部，无人机仅做接收
• 无人机无吊舱、无重载、无电机噪声干扰
• 厘米级定位、全域避障、天然防路人跟随

1.2 核心创新

• 头戴发射 + 无人机三路接收（彻底减重）
• WiFi 微秒级时间同步（解决 TDOA 基准）
• 6 面全向红外避障（安全飞行）
• TDOA 三维定位（前后/左右/高度）

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2 系统总体架构

2.1 三单元架构

1. 头戴端：40kHz 超声波发射器 + ESP32
2. 手环端：WiFi 同步、身份鉴权、触发发射
3. 无人机端：3 路超声接收 + 6 面避障 + 主控 + 飞控

2.2 定位原理

• 手环通过 WiFi 给无人机同步时间戳 T0
• 帽子发射超声波
• 无人机 R1/R2/R3 记录到达时间 t1/t2/t3
• 时间差 → 距离 → 三维坐标

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3 技术指标

• 工作距离：50–120cm
• 目标跟随距离：80cm
• 高度差：50cm
• 定位精度：±3–4cm
• 时间同步误差：<100μs
• 刷新率：20Hz
• 避障：前/后/左/右/上/下
• 供电：3.7V 锂电池
• 无人机增重：<15g

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4 硬件系统（完整接线）

4.1 头戴端（帽子）接线

• 超声发射器 VCC → 3.3V
• 超声发射器 GND → GND
• 超声发射器 IN →GPIO 10

4.2 手环端（与帽子共 ESP32）

• 供电：3.7V 锂电池
• WiFi：连接无人机热点

4.3 无人机端 3 路超声接收

• R1（左）OUT →GPIO 2
• R2（右）OUT →GPIO 3
• R3（下）OUT →GPIO 4
• 全部 VCC → 3.3V / GND → GND

4.4 无人机 6 面避障（红外）

• 前 → GPIO12
• 后 → GPIO13
• 左 → GPIO14
• 右 → GPIO15
• 上 → GPIO16
• 下 → GPIO17

4.5 飞控控制接口

• 俯仰（前后）→ GPIO25
• 横滚（左右）→ GPIO26
• 油门（高度）→ GPIO27

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5 时间同步方案（核心）

5.1 同步步骤

1. 无人机开启1μs 定时器（唯一时钟）
2. 手环每 50ms 发 WiFiTRIGGER
3. 无人机收到 → 记录T0 = micros()
4. 无人机回复TX_NOW
5. 帽子发射超声波
6. R1/R2/R3 记录 t1/t2/t3
7. 计算：dt1 = t1-T0、dt2 = t2-T0、dt3 = t3-T0
8. 距离 = dt × 0.034 cm/μs

5.2 精度说明

• 同步误差：<100μs → 3.4cm
• 总定位误差：<4cm

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6 三维定位算法

• 左右偏差：d1 - d2
• 前后距离：(d1 + d2) / 2
• 高度差：d3
• 控制：PD 简易控制（可直接升级为 PID）

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7 避障逻辑

• 任意避障触发 →立即悬停
• 障碍消失 → 恢复跟随
• 避障优先级 > 跟随

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8 完整代码（可直接编译）

8.1 无人机端代码（主控制器）

/* 头戴式超声波三维定位跟随无人机系统 无人机主控端 V1.0 */#include<Arduino.h>#include<WiFi.h>#defineWIFI_SSID"DRONE_SYNC_2026"#defineWIFI_PASS"12345678"WiFiServerserver(8888);WiFiClient client;#defineR1_PIN2#defineR2_PIN3#defineR3_PIN4#defineOBST_FRONT12#defineOBST_REAR13#defineOBST_LEFT14#defineOBST_RIGHT15#defineOBST_UP16#defineOBST_DOWN17#definePITCH_PIN25#defineROLL_PIN26#