探究傳感器在無人機(jī)飛行控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

溫忠亮

（哈工大機(jī)器人（岳陽）軍民融合研究院，湖南 岳陽414000）

智能化機(jī)器人代替人工完成耗費(fèi)人力的工作正成為各行業(yè)發(fā)展所關(guān)注的焦點(diǎn)，電路巡檢、森林防火等領(lǐng)域的無人機(jī)應(yīng)用便屬于其中代表。為保證無人機(jī)更好服務(wù)于我國各行業(yè)發(fā)展，正是本文圍繞傳感器在無人機(jī)飛行控制系統(tǒng)中應(yīng)用開展具體研究的原因所在。

1 無人機(jī)飛行控制系統(tǒng)中傳感器的基本應(yīng)用

1.1 應(yīng)用思路

傳感器廣泛應(yīng)用于多個(gè)領(lǐng)域，主要由轉(zhuǎn)換元件及敏感元件組成，傳感器可按照一定規(guī)律轉(zhuǎn)換獲得的信息為可用信號(hào)，并以此為相關(guān)領(lǐng)域提供數(shù)據(jù)信息支持。在無人機(jī)飛行控制系統(tǒng)中，傳感器的應(yīng)用可較好服務(wù)于系統(tǒng)的完善和改進(jìn)，而結(jié)合無人機(jī)飛行控制系統(tǒng)的實(shí)際需要，可通過多種傳感器的合理應(yīng)用，整合分析多種傳感器收集的任務(wù)信息，以此構(gòu)建傳感器網(wǎng)絡(luò)，最大化的傳感器作用發(fā)揮可由此實(shí)現(xiàn)。在傳感器支持下，無人機(jī)飛行控制系統(tǒng)可充分發(fā)揮傳感器參數(shù)可調(diào)性優(yōu)勢，不同種類無人機(jī)飛行控制系統(tǒng)的需要也能夠得到滿足，相關(guān)任務(wù)的順利完成自然能夠獲得有力支持。在無人機(jī)飛行控制系統(tǒng)的傳感器具體應(yīng)用中，必須充分了解傳感器的優(yōu)勢，并結(jié)合系統(tǒng)的功能要求和實(shí)際運(yùn)行需求，這樣才能夠更高水平的應(yīng)用傳感器[1]。

1.2 基本應(yīng)用

1.2.1 合理設(shè)計(jì)傳感器參數(shù)。無人機(jī)飛行控制系統(tǒng)中的傳感器應(yīng)用極為廣泛，系統(tǒng)的運(yùn)行效率提升可得到傳感器的大力支持，而為了較好滿足系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行需要，最大化傳感器作用發(fā)揮，傳感器參數(shù)的合理設(shè)計(jì)必須得到重視。在傳感器參數(shù)設(shè)計(jì)過程中，可將其參數(shù)細(xì)分為靜態(tài)參數(shù)和動(dòng)態(tài)參數(shù)，如動(dòng)態(tài)參數(shù)設(shè)計(jì)需以階躍響應(yīng)、頻率響應(yīng)為依據(jù)，傳感器的分辨率參數(shù)也需要得到合理控制，傳感器運(yùn)行的穩(wěn)定性可由此得到保障。而在靜態(tài)參數(shù)的設(shè)計(jì)中，重復(fù)性、線性度、靈敏度等參數(shù)的設(shè)計(jì)不容忽視，具體設(shè)計(jì)需結(jié)合無人機(jī)飛行控制要求[2]。

1.2.2 機(jī)載傳感器網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化。在無人機(jī)飛行控制系統(tǒng)中，傳感器的應(yīng)用還需要關(guān)注應(yīng)用環(huán)節(jié)的嚴(yán)格控制，以此通過持續(xù)性的改進(jìn)和優(yōu)化，提高系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性和安全性。作為無人機(jī)飛行控制系統(tǒng)的重要組成部分，傳感器網(wǎng)絡(luò)搭載有各類傳感器，因此可以將其視作不同類型傳感器的總稱。在無人機(jī)獲取相關(guān)數(shù)據(jù)和信息時(shí)，一般需要返回基底查看相關(guān)資料和信息，這一過程中的信息及數(shù)據(jù)安全性必須得到重視?；诟黝悅鞲衅鳂?gòu)建傳感器網(wǎng)絡(luò)，實(shí)時(shí)的信息數(shù)據(jù)傳輸、獲取即可順利實(shí)現(xiàn)，信息數(shù)據(jù)信息也能夠更為快速的向監(jiān)測中心傳輸，數(shù)據(jù)信息傳輸效率及安全性均可大幅提升。因此，本文認(rèn)為無人機(jī)飛行控制系統(tǒng)中的機(jī)載傳感器網(wǎng)絡(luò)屬于核心層，為最大化傳感器網(wǎng)絡(luò)作用發(fā)揮，持續(xù)性的優(yōu)化和改進(jìn)必須得到重視，如優(yōu)化系統(tǒng)整體布局、調(diào)整線路方式，系統(tǒng)整體運(yùn)行效率可由此實(shí)現(xiàn)長足提升。

1.2.3 應(yīng)用精確導(dǎo)航控制技術(shù)。作為傳感器衍生的技術(shù)，精確導(dǎo)航控制技術(shù)同樣可較好服務(wù)于無人機(jī)飛行控制系統(tǒng)升級(jí)和改造，通過融合多個(gè)傳感器的信息，精確導(dǎo)航控制技術(shù)可實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)導(dǎo)航?，F(xiàn)階段無人機(jī)在我國多個(gè)領(lǐng)域有著較為深入的影響，無人機(jī)所需要完成的工作量也在不斷提升，為保證無人機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)相關(guān)任務(wù)的快速準(zhǔn)確完成，必須設(shè)法改進(jìn)和完善其精準(zhǔn)導(dǎo)航系統(tǒng)，配合不同特性的平臺(tái)和傳感器，即可為無人機(jī)執(zhí)行任務(wù)提供輔助，這一過程中多個(gè)傳感器信息的融合發(fā)揮著極為關(guān)鍵的作用。在基于精確導(dǎo)航控制技術(shù)的無人機(jī)飛行控制系統(tǒng)優(yōu)化中，傳感器作用的充分發(fā)揮屬于其中關(guān)鍵，系統(tǒng)需同時(shí)具備有效融合導(dǎo)航信息的能力，并以此實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)位置、速度等導(dǎo)航信息的提供，配合較強(qiáng)的信息接收和處理能力，無人機(jī)即可更好在飛行過程中完成各類信息的收集和處理，傳感器的作用也能夠更好發(fā)揮[3]。

2 實(shí)例分析

2.1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

為提升研究的實(shí)踐價(jià)值，以一種基于STM32F103 單片機(jī)平臺(tái)與多傳感器的無人機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)作為研究對象，無人機(jī)工作的流暢性可通過較高的運(yùn)算速度得到保障，系統(tǒng)不僅能夠保證無人機(jī)安全飛行，且在初次起飛指令后會(huì)，無人機(jī)會(huì)預(yù)留一段安全時(shí)間，意外事件的發(fā)生幾率可得到有效控制。無人機(jī)飛行控制系統(tǒng)采用Pixhawk，系統(tǒng)控制板為STM32F103，由此即可實(shí)現(xiàn)遙控器信號(hào)的模擬，在控制成本的前提下實(shí)現(xiàn)飛控指令的下達(dá)，脫離遙控器獨(dú)立工作的無人機(jī)可由此實(shí)現(xiàn)，傳感器布置于采集板，以此構(gòu)建傳感器組，結(jié)合飛控傳感器，即可將向控制板共同反饋采集到的數(shù)據(jù)，控制板由此即可向飛控板發(fā)出指令，這一過程需模擬遙控器，全稱的無人機(jī)自動(dòng)控制可由此實(shí)現(xiàn)。整個(gè)系統(tǒng)由采集層、控制層、無人機(jī)控制層三個(gè)層級(jí)組成。

2.2 硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用的飛控板屬于具備高性能且較為普及的自動(dòng)駕駛儀，即Pixhawk，可較好服務(wù)于固定翼無人機(jī)、多旋翼無人機(jī)等平臺(tái)，APM 為其前身，不同于APM 無法滿足復(fù)雜的運(yùn)算需求，Pixhawk 在繼承多線程編程環(huán)境的同時(shí)，還能夠通過PX4 底層驅(qū)動(dòng)，為全周期處理提供保障，新的預(yù)設(shè)飛行模式及自動(dòng)駕駛儀功能均可由此實(shí)現(xiàn)，系統(tǒng)可由此較好滿足無人機(jī)高自由度飛行需要；系統(tǒng)對無人機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的檢測通過控制板實(shí)現(xiàn)，傳感器的反饋可由此接收，遙控器的模擬及相關(guān)指令的發(fā)出也能夠由此實(shí)現(xiàn)，無人機(jī)運(yùn)用的控制可基于飛控板實(shí)現(xiàn)，基于STM32 實(shí)現(xiàn)遙控器起飛、著陸、懸停等各種指令信號(hào)的模擬屬于其中關(guān)鍵，無人機(jī)字啊無指令控制時(shí)會(huì)安全著落，機(jī)體安全保障需要可由此得到滿足。在完成構(gòu)筑控制板基礎(chǔ)功能后，更多傳感器的添加可順利實(shí)現(xiàn)，系統(tǒng)可支持多樣化的無人機(jī)功能，更加復(fù)雜的任務(wù)執(zhí)行也能夠由此獲得支持。由于系統(tǒng)用單片機(jī)預(yù)留的接口較多，因此其拓展性天然較高，可實(shí)現(xiàn)更為豐富的模塊搭載；在多傳感器模塊的設(shè)計(jì)中，該模塊主要負(fù)責(zé)服務(wù)于無人機(jī)在合適高度的作業(yè)實(shí)現(xiàn)，屬于無人機(jī)自主工作的基礎(chǔ)，模塊流程可概括為：“開始→超聲波發(fā)生聲波→定時(shí)器計(jì)時(shí)→接收到聲波→定時(shí)器停止計(jì)時(shí)并計(jì)算距離→0.5～1.5m？→是→發(fā)出光信號(hào)→結(jié)束”。采用bmp085 氣壓傳感器作為定高模塊硬件，由此實(shí)時(shí)海拔高度的轉(zhuǎn)換可基于測量獲得的大氣壓實(shí)現(xiàn)，無人機(jī)距離地面的高度可通過計(jì)算確定，無人機(jī)實(shí)時(shí)高度的測量采用HC-SR04 超聲波傳感器，兩種傳感器可通過配合較好服務(wù)于更加精準(zhǔn)的無人機(jī)控制。

2.3 軟件設(shè)計(jì)

為保證傳感器更好服務(wù)于無人機(jī)飛行控制器，本文研究的無人機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)在軟件設(shè)計(jì)中同樣投入了大量精力。在控制板操作模塊設(shè)計(jì)中，控制板基于模擬遙控器信號(hào)的方式實(shí)現(xiàn)控制，無人機(jī)的工作流程開始需通過操控者的按鍵控制，收到信號(hào)后的無人機(jī)會(huì)進(jìn)入啟動(dòng)流程，無人機(jī)自檢并解鎖啟動(dòng)會(huì)在3s 安全時(shí)間后開始，由此操作人員的撤離可得到保障；而在無人機(jī)基本姿態(tài)控制的設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)需圍繞自動(dòng)啟動(dòng)、自動(dòng)降落展開，自動(dòng)啟動(dòng)可實(shí)現(xiàn)無人機(jī)的遠(yuǎn)程解鎖與控制，自動(dòng)降落可實(shí)現(xiàn)無人機(jī)的自動(dòng)著陸并鎖定，這一系列功能的實(shí)現(xiàn)均離不開傳感器的支持。

2.4 實(shí)驗(yàn)分析

為證明無人機(jī)飛行控制系統(tǒng)實(shí)用性，需開展針對性實(shí)驗(yàn)，考慮到該系統(tǒng)主要用于室內(nèi)小型無人機(jī)，因此實(shí)驗(yàn)于4m×4m×2m的室內(nèi)實(shí)驗(yàn)場地開展，以此判斷系統(tǒng)的穩(wěn)定性和易用性。結(jié)合實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以確定，無人機(jī)在完成既定任務(wù)過程中，系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對其的全程穩(wěn)定控制，具備成本低、易用性強(qiáng)等優(yōu)勢，相較于人工操作，無人機(jī)飛行控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性更高，且能夠有效實(shí)現(xiàn)人力成本的節(jié)約，但該系統(tǒng)進(jìn)能夠用于室內(nèi)應(yīng)用，無法滿足室外環(huán)境控制需要，這一不足的改進(jìn)必須得到重視。

綜上所述，傳感器在無人機(jī)飛行控制系統(tǒng)中的應(yīng)用需關(guān)注多方面因素影響。在此基礎(chǔ)上，本文涉及的機(jī)載傳感器網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化、應(yīng)用精確導(dǎo)航控制技術(shù)、硬件設(shè)計(jì)等內(nèi)容，則提供了可行性較高的傳感器應(yīng)用路徑。為更好服務(wù)于無人機(jī)飛行控制，MEMS 傳感器的合理應(yīng)用必須得到重點(diǎn)關(guān)注。