無人機姿態(tài)檢測概述

郭家泰

摘 要：隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展與創(chuàng)新無人機越來越大眾化，無人機的應(yīng)用范圍更加廣泛。本文結(jié)合時代背景分析了無人機的特點以及未來無人機市場的發(fā)展趨勢，概述姿態(tài)檢測的方式以及其對于無人機安全飛行的重要性。結(jié)合技術(shù)發(fā)展的外界因素以及應(yīng)用領(lǐng)域?qū)鈮河嬜隽司唧w的分析，介紹了氣壓計的特點以及實際應(yīng)用時的軟硬件設(shè)計并指出了可以改進的措施。

關(guān)鍵詞：無人機;姿態(tài)檢測;氣壓計

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.16.126

隨著時代的發(fā)展，無人機在世界各國興起，其使用方便，結(jié)構(gòu)簡單，安全穩(wěn)定的優(yōu)勢很快使其成為研究的熱點。無人機通過傳感器感知周邊參數(shù)的變化，通過控制器的運算不斷做出決策來改變自身姿態(tài)，從而安全穩(wěn)定的飛行。而在這些傳感器中，氣壓計又顯得十分重要。

1 無人機發(fā)展趨勢以及姿態(tài)傳感器

無人機的應(yīng)用領(lǐng)域可分為軍用、民用和消費三大種類，這三大種類對于無人機的傳感器要求有所不同，軍用無人機要求更高的靈敏度，精確的速度與高度還有智能化的控制設(shè)備。而民用無人機相比而言要求低很多，速度，高度，行程的精確性與要求都相對較低，傳感器也無太高要求。消費級無人機一般用來娛樂和航拍，成本一般不是很高，采用多旋翼。

無人機的各項技術(shù)向平民化發(fā)展，無人機產(chǎn)業(yè)化的趨勢已經(jīng)普及。中國的無人機技術(shù)起步得比較早，一直在進步和發(fā)展，在城市的空中經(jīng)?？梢钥吹綗o人機的身影。國外已經(jīng)有用無人機進行快遞的發(fā)放等業(yè)務(wù)。這些應(yīng)用都離不開無人機的姿態(tài)傳感器。無人機雖然已經(jīng)普及，但是其控制技術(shù)仍然存在難點。飛控系統(tǒng)是無人機很重要的一部分，要求很高的精確度，而為了更加穩(wěn)定的飛行，那么少不了傳感器發(fā)揮的作用。飛控子系統(tǒng)是無人機的核心系統(tǒng)，一般包括傳感器、機載計算機和伺服作動設(shè)備三大部分，實現(xiàn)的功能主要有無人機姿態(tài)穩(wěn)定和控制、無人機任務(wù)設(shè)備管理和應(yīng)急控制三大類。同時硬件產(chǎn)業(yè)鏈日趨成熟、硬件成本的下降為無人機技術(shù)的進一步普及創(chuàng)造了機會。近幾年來無人機市場的興起與成本的降低和技術(shù)的成熟有著很大的關(guān)系。6軸、9軸的慣性傳感器也逐漸取代了單個傳感器，成本和功耗進一步降低。另外GPS芯片僅重0.3克，價格不到5美元。

2 氣壓計

氣壓計是根據(jù)托里拆利的實驗原理制成的，用來測量大氣壓強的儀器。在無人機中，氣壓計測高是利用大氣壓力來表示飛行高度的傳感器。高度是無人機飛行最基本的參數(shù)，是安全飛行，順利完成各項任務(wù)的基礎(chǔ)。此外對于高度測量準確對節(jié)約能耗，充分發(fā)揮無人機功能，飛行平穩(wěn)行也有很大的意義。傳統(tǒng)的氣壓高度計并不能很好的應(yīng)用于無人機，一是因為體積大，機構(gòu)十分復(fù)雜，二是因為測量的精度達不到我們的要求。但隨著測量技術(shù)的不斷發(fā)展，半導(dǎo)體集成電路和壓阻式氣壓傳感器可以高度集成，具備接口簡單、體積小、穩(wěn)定性高、動態(tài)響應(yīng)快、精度和靈敏度高等優(yōu)點，這些都將大大提高系統(tǒng)的綜合性能，簡化系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。

氣壓計特點：

（1）體積小并且便于安裝;（2）測量的準確度高;（3）實時性高;（4）測量范圍廣。

因為傳感器發(fā)出來的是模擬信號，為了避免數(shù)字信號的干擾，我們用濾波電路進行改良，經(jīng)過濾波后的信號再通過調(diào)幅，可以得到我們需要的標準信號。此外，由于存在不同程度的噪聲干擾，我們需要考慮氣壓計輸出信號的精度問題，將經(jīng)過濾波，調(diào)幅后的電信號和一個標準電壓信號經(jīng)過儀用信號放大器進行差分放大，再送入微控制器進行處理，擴大了信號的范圍并且提高了系統(tǒng)的靈敏度。同時無人機姿態(tài)傳感器的氣壓計有儀器優(yōu)勢，其運行時能耗很低，減少了溫漂，儀器內(nèi)部的精密程度讓使用者很滿意。除此之外，儀用放大器內(nèi)部擁有專用的濾波器，可以很大程度上消除噪聲。

其軟件設(shè)計也很有價值：

AD轉(zhuǎn)換：AD轉(zhuǎn)換可以對采集到的信息進行初步的處理并篩選。

數(shù)據(jù)處理：對采集到的數(shù)據(jù)進行濾波，限幅等操作以獲得我們需要的信號。

程序監(jiān)視：為了保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性以及運行狀態(tài)，我們需要有遠程程序監(jiān)控的功能來實現(xiàn)無人機的安全工作。

3 結(jié)束語

隨著時代的發(fā)展無人機必定會更加大眾化，日后會走進家家戶戶。其姿態(tài)傳感器的發(fā)展與進步也會帶來更大的效益與成果。雖然現(xiàn)階段姿態(tài)傳感器仍然存在精度與實時性低等問題，但通過不斷創(chuàng)新，傳感器必會不斷完善并走向成熟。

參考文獻：

[1]茹濱超，鮮斌，宋英麟，曹美會.基于氣壓傳感器的無人機高度測量系統(tǒng)[J].中南大學(xué)學(xué)報，2013，7，44（02）.

[2]無人機上的傳感器[J/OL].全球無人機網(wǎng).

[3]無人機飛行控制技術(shù)中常用的傳感器[J/OL].北微傳感.

作者簡介：郭家泰（1997-），男，河北人，本科，研究方向：自動控制。