傳感器在無人機飛行控制系統(tǒng)中的應用

李文華

隨著科學技術的不斷發(fā)展，無人機技術不斷成熟，無人機被應用到越來越多的領域中，比如國土資源監(jiān)測、森林保護、土地勘察、空中攝影等。無人機的工作原理是地面控制中心，通過無人機控制系統(tǒng)命令無人機按照指定的軌跡飛行。隨著無人機的應用范圍越來越廣，對于無人機的功能和復雜任務的需求越來越多，使得無人機的軟件和硬件結構更加復雜，對于無人機的設計、組裝、調試等帶來了非常大的挑戰(zhàn)。同時，無人機的導航系統(tǒng)實時控制無人機的速度和位置等相關參數，隨著技術的發(fā)展，對于無人機的精度要求會越來越高，因此作為飛行控制系統(tǒng)核心部件的傳感器，在整個無人機的控制系統(tǒng)中起到了非常重要的作用。目前飛行控制系統(tǒng)的建模和仿真是一個對無人機調試的重要方法，也是分析和研究軍用和民用無人機控制系統(tǒng)的必要方法。

一、無人機傳感器

傳感器是一種轉換裝置，通過將能感受一定規(guī)律的被測量件轉換成可用的信號，無人機的導航系統(tǒng)不依賴于工作人員的直接測控，可以具有自主判斷的一種方式。對于單一的無人機控制系統(tǒng)，很難達到這一目的，通過多傳感器的信息融合技術，增加了無人機導航系統(tǒng)的精度、穩(wěn)定性和可靠性。但是各個信息本身是獨立的，將多傳感器的信息進行融合是一個非常復雜的過程。采用多傳感器協同，可以有效地利用各個傳感器的性能，相對于單傳感器和無傳感器系統(tǒng)來說，多傳感器協同監(jiān)測可以最大程度上收集目標和環(huán)境的信息。傳感器聚合主要信息有四種典型結構，即集中分布結構、融合結構、混合融合結構、多層次融合結構。無人機多傳感器信息融合使得無人機控制系統(tǒng)必須要具備以下能力。首先需要具有一定的信息處理能力，在接收信息同時還可以進行下一步的信息處理。其次，通過信息融合，對無人機的導航提供更為精確的控制命令，對無人機的速度和姿態(tài)進行調整。最后，全系統(tǒng)信息余度控制和優(yōu)化，子系統(tǒng)故障診斷與隔離，提供最優(yōu)的多余度高精度導航信息，提供輔助決策能力。因此，在無人機自主精確導航系統(tǒng)中，傳感器具有非常重要的作用，通過多傳感器信息融合的特性提高無人機的綜合性能，改善無人機的控制性能，使之更好地完成工作。

1.機載傳感器

傳感器網絡構成無人機平臺應用的終端，直接獲取所需的材料或數據，當無人機獲取相關信息或數據時，它可以通過無線傳輸系統(tǒng)將信息或數據實時傳輸到地面上相應的監(jiān)控中心。有時，為了確保所獲取的信息或數據的安全性，可以先將其存儲在UAV的存儲設備中。

2.傳感器參數

無人機中傳感器參數主要分為動態(tài)和靜態(tài)兩類。其中靜態(tài)參數輸入量不隨時間的變化而變化，動態(tài)參數主要指階躍和頻率響應。同時，傳感器的分辨率與傳感器的穩(wěn)定性之間存在負相關，這主要是指傳感器感測測量的最小變化的能力。對于整個無人機系統(tǒng)，傳感器非常重要且最有用，直接影響無人機操作的安全性以及是否能夠按時完成任務。

3.精確導航控制技術

對于無人機來說，它執(zhí)行的任務數量和類型相對較大。為了保證無人機能夠順利完成任務，有必要根據任務特點和各種載荷確定無人機自主精密導航系統(tǒng)的結構。同時，需要將不同特征的傳感器和平臺結合起來，協助無人機完成任務，從而進行多傳感器信息融合。對于整個無人機自主精密導航系統(tǒng)，根據無人機執(zhí)行任務的特點，確定要組合的各種傳感器的類型，然后確定各種傳感器信息的融合方式和實現方案。無人機多傳感器信息融合使得無人機控制系統(tǒng)具有一定的信息處理能力，需要該系統(tǒng)在接收信息同時還可以進行下一步的信息處理，對無人機的導航提供更為精確的控制命令，對無人機的速度和姿態(tài)進行調整，提高輔助決策能力。

4.無人機飛行控制系統(tǒng)調試

對無人機飛行控制系統(tǒng)的調試主要分為三個方面，分別是飛行器管理計算機分系統(tǒng)調試、傳感器分系統(tǒng)調試、伺服分系統(tǒng)調試。

（1）地面準備工作。飛行系統(tǒng)地面調試工作主要通過地面檢測設備進行檢測，因此在進行調試之前需要進行詳細的準備。首先連接好接地線，然后通過電源轉接將直流電源轉接到無人機上，再將地面綜合檢測設備連接到無人機上，最后接通電源，觀察電源示數。

（2）飛行器管理計算機分系統(tǒng)調試。首先進行電自檢調試，隨后對飛行器管理計算機上電檢查故障進行處理，并對無人機的飛行前自檢信息進行檢查。

5.無人機飛行控制理論

無人機的飛行控制理論是無人機飛行控制系統(tǒng)中的關鍵部分，目前主要有基于PID的無人機飛行控制理論和基于神經網絡的魯棒控制系統(tǒng)設計。在大多數情況下，PID控制器具有很好的控制效果，但在高速高海拔飛行的特殊情況下，氣流、壓力、溫度的影響會引起劇烈的擾動。實踐證明，在這種情況下，PID控制器不能很好地完成控制任務，特別是對控制質量要求嚴格的場合。如果在控制過程中發(fā)生過沖、響應慢、調整時間長等問題，飛行編隊將處于混亂狀態(tài)，甚至發(fā)生碰撞事故。但是由于在控制對象或操作環(huán)境中存在一些不確定性，對不確定的魯棒性是控制系統(tǒng)非常重要的特性，因此需要采用穩(wěn)健的控制系統(tǒng)設計。以往已經構建了設計線性魯棒控制器的各種方法，但是由于魯棒控制器的保守性，仍然難以設計出具有足夠性能的魯棒控制器。此外，大多數受控對象具有非線性的動態(tài)特性，因此線性魯棒控制器設計容易失效。設計和測試這種控制器非常耗時且昂貴，因此，需要設計出能夠容易地應用于各種問題的非線性魯棒控制器。

二、無人機飛行控制系統(tǒng)仿真分析

隨著技術的發(fā)展，無人機的控制精度要求會越來越高，因此作為飛行控制系統(tǒng)核心部件的傳感器，在整個無人機的系統(tǒng)中起到了非常重要的作用。目前飛行控制系統(tǒng)的建模和仿真是一個對無人機調試的重要方法，也是分析和研究軍用和民用無人機控制系統(tǒng)的必要方法。現在飛行建模和仿真技術已經集中在一個大型復雜系統(tǒng)上，其特點應該是全面，可靠和智能，通過控制模擬仿真可以全面地了解無人機的姿態(tài)和工況。

1.無人機的3D模型設計

傳統(tǒng)的無人機系統(tǒng)仿真是基于數據或圖形，不易觀察和理解無人機的整體姿態(tài)和運動狀態(tài)，因此有必要在計算機屏幕上模擬無人機的三維模型和實時響應交互操作。因此，飛機模型在飛行仿真系統(tǒng)中起著非常重要的作用，直接影響到仿真的效果。FlightGear工作模型有兩種，內部模型和外部模型。內部模型通過在FlightGear模擬器中完成的嵌入式動力學模型驅動視覺系統(tǒng)。在外部模型中，嵌入式動態(tài)模型停止工作，屬性系統(tǒng)接收外部數據并更新可視圖像。

2.仿真結構

仿真系統(tǒng)由FlightGear仿真器、自動駕駛儀（包括控制器、傳感器和I/O設備）和地面站三部分組成。自動駕駛儀根據從地面站設置的飛行任務的要求將控制數據發(fā)送給FlgihtGear，并從FlightGear收集模擬的傳感器數據。FlightGear從自動駕駛儀接收控制數據并輸出飛行的反應，給出可見結果，并記錄模擬數據。地面站通過自動駕駛指令的變化獲取并顯示實時飛行參數，更新實時飛行路線。FlightGear用于開發(fā)成本有效的環(huán)境，以實時測試飛行控制律。 FlightGear和自動駕駛系統(tǒng)之間的通信是用戶數據報協議（UDP）。

（1） FlightGear模擬器。FlightGear是一個開源飛行模擬器，逐漸引入自然特征（太陽，月亮和星星等）、天氣（云，霧和風等）、電子導航系統(tǒng)、機場、跑道以及網絡和其他許多功能。

（2）自動駕駛儀。在該系統(tǒng)中，自動駕駛儀使用俄羅斯的STA33型和構造器、殼體兩個軟件，分別實現了控制律設計和觀測地面站。它是該模擬的重要部分，主要功能如下：

①根據飛行任務接收地面站或遙控系統(tǒng)的指令。

②結合不同傳感器的信息控制執(zhí)行部件，完成各種控制任務。

③將飛機狀態(tài)數據傳輸到地面站。下載飛行控制到STA33，設置端口信息、原始位置和速度。然后通過地面站殼觀察和分析姿態(tài)位置和方向的正確性，對于STA33擁有自己的飛行動態(tài)模型，飛行模型選擇“null”。

自動駕駛儀通過UDP將飛行數據傳輸到FlightGear，并且通過飛行參數的驅動，FlightGear可以模擬無人機起飛、巡航和著陸。模擬圖像是連續(xù)的和可變的視角。

無人機仿真的整個過程可以非常短，數據記錄可以為動態(tài)模型的分析提供幫助。因此，數據記錄是3D視覺模擬的必要功能。它通過使用這個飛行模擬系統(tǒng)顯示了在線飛行試驗的結果。無人機的管理和控制規(guī)律可以在這個虛擬環(huán)境中進行測試。姿態(tài)指示器可以顯示UAV的俯仰和滾動，白線代表飛機;從途中可以很容易地觀察到數字中緯度、經度、速度和航向的信息。高度計和風速計分別表示無人機的壓力空間和空速，粗曲線是給定的曲線路線，細曲線是通過模擬的實際飛行曲線，這些曲線證明了飛行控制規(guī)律的邏輯結構合理。

三、小結

隨著技術的不斷發(fā)展，無人機技術不斷成熟，無人機應用到越來越多的行業(yè)之中，無人駕駛飛行器（UAV）在民用和軍用中應用越來越廣泛，日益增長的復雜任務需求使無人機的軟件和硬件結構更加復雜，因此對于無人機的設計、組裝、調試等帶來了非常大的挑戰(zhàn)。無人機的核心部件是飛行控制系統(tǒng)，其中傳感器起到了重要的作用，通過控制無人機的姿態(tài)和航跡來執(zhí)行各種模態(tài)控制任務。目前飛行控制系統(tǒng)的建模和仿真是對無人機調試的重要方法，也是分析和研究軍用和民用無人機控制系統(tǒng)的必要方法，本文從傳感器在無人機中的應用出發(fā)，對無人機飛行控制理論和無人機飛行控制模擬技術進行了分析。

（作者單位：新鄉(xiāng)市職業(yè)教育中心）