基于深度學(xué)習(xí)無(wú)人機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

陳程

摘要：針對(duì)無(wú)人機(jī)控制系統(tǒng)受到外界干擾，而導(dǎo)致控制效果差的問(wèn)題，提出了基于深度學(xué)習(xí)無(wú)人機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。根據(jù)系統(tǒng)總體架構(gòu)，以STM32為主控芯片，設(shè)計(jì)傳感器，通過(guò)UART接口與PC端通信。以穩(wěn)壓器最大輸出電流為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)電源模塊，為系統(tǒng)供電。依據(jù)軟件系統(tǒng)架構(gòu)，設(shè)計(jì)具體控制方案，避免受到外界干擾，對(duì)促進(jìn)無(wú)人機(jī)廣泛應(yīng)用具有重要意義。

關(guān)鍵詞：深度學(xué)習(xí);無(wú)人機(jī);飛行;控制

中圖分類號(hào)：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2020）15-0200-02

無(wú)人機(jī)是一種帶有動(dòng)力裝置、能夠自主飛行的無(wú)人駕駛飛行器，可以執(zhí)行多種任務(wù)和多次使用的，其用途廣泛、成本低、使用方便，在社會(huì)各應(yīng)用領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，如用于軍事偵察、監(jiān)視、反恐行動(dòng)等，還可用于民用航空攝影、交通巡邏和對(duì)復(fù)雜危險(xiǎn)區(qū)域的檢查以及救災(zāi)等。由于無(wú)人機(jī)無(wú)須人員駕駛，不會(huì)存在人員傷亡風(fēng)險(xiǎn)，且機(jī)動(dòng)性能好，能夠執(zhí)行人類無(wú)法到達(dá)的地方或某些危險(xiǎn)區(qū)域的任務(wù)，應(yīng)用前景非常廣闊。當(dāng)無(wú)人機(jī)在飛行過(guò)程中，由于無(wú)人直接操縱，需要自動(dòng)調(diào)節(jié)其姿態(tài)、飛行速度和運(yùn)行軌跡，甚至需要根據(jù)飛行任務(wù)的要求，自主進(jìn)行飛行計(jì)劃和軌跡規(guī)劃嘲。因此無(wú)人機(jī)飛行控制系統(tǒng)極其重要，為實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)的自主飛行，得到所需控制的方向和距離，有效避開(kāi)障礙，保證良好的控制效果，設(shè)計(jì)了一種基于深度學(xué)習(xí)無(wú)人機(jī)的控制系統(tǒng)。

1無(wú)人機(jī)系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在無(wú)人機(jī)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)前首先要構(gòu)建無(wú)人機(jī)飛行平臺(tái)，用于進(jìn)行系統(tǒng)研究和飛行試驗(yàn)，負(fù)責(zé)控制整個(gè)無(wú)人機(jī)系統(tǒng)。無(wú)人機(jī)飛行平臺(tái)是無(wú)人機(jī)飛行的基礎(chǔ)，也是其他飛行器的載體，要求重量輕，剛度大，強(qiáng)度高，應(yīng)選擇STM32作為主芯片，框架制作采用玻璃鋼材料，電源模塊負(fù)責(zé)為飛機(jī)控制系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和電機(jī)動(dòng)力提供電源。

系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1所示。

系統(tǒng)采用STM32單片機(jī)作為主控芯片，主控核心是采集PPM信號(hào)并在遠(yuǎn)程控制上解碼，從而達(dá)到預(yù)期的目標(biāo)姿態(tài)。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)包括：航向基準(zhǔn)系統(tǒng)、飛行控制系統(tǒng)、電源系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)電路等部分;下半部分包括地面站系統(tǒng)、遠(yuǎn)動(dòng)控制操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)鏈通信系統(tǒng)、未來(lái)將開(kāi)發(fā)地面站系統(tǒng);遙控操作系統(tǒng)采用7通道模式遙控器，數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)采用無(wú)線通信模塊的設(shè)計(jì)方法。

1.1傳感器

為提高飛行器飛行控制的可靠性，需要將飛行器的俯仰角和橫搖角作為穩(wěn)定回路的反饋信號(hào)引入到控制回路中，同時(shí)為提高系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性，還需要通過(guò)角速率反饋增加阻尼。飛行器的飛行姿態(tài)是通過(guò)慣性測(cè)量裝置得到的，該裝置主要由三個(gè)陀螺儀、三軸加速度傳感器和全向磁場(chǎng)傳感器組成，通過(guò)GPS接收器和最大精度為15 cm的靜壓高度計(jì)獲取飛機(jī)的位置信息。該飛行控制系統(tǒng)結(jié)合了上述傳感器，構(gòu)成了一個(gè)時(shí)態(tài)姿態(tài)參考系統(tǒng)，能夠精準(zhǔn)獲取無(wú)人機(jī)自主飛行時(shí)所需的位置、姿態(tài)和飛行速度等相關(guān)信息。

盡管GPS廣泛應(yīng)用于導(dǎo)航、定位、測(cè)速等各個(gè)領(lǐng)域，但GPS信號(hào)經(jīng)常受到地形和地物的影響，導(dǎo)致信號(hào)精度下降，影響正常使用。對(duì)于高層建筑林立的城市或植被茂密的山區(qū)，信號(hào)效果只有60%，而GPS還不能在靜態(tài)條件下提供精確的高度信息，所以本文選用精度15 cm的MS5540C靜壓高度計(jì)來(lái)彌補(bǔ)GPS高程定位的不足。數(shù)字大氣壓力傳感器MS5540C具有溫度補(bǔ)償校正功能，同時(shí)還具有體積小、重量輕、輸出數(shù)據(jù)穩(wěn)定、功耗低、響應(yīng)快等優(yōu)點(diǎn)。該控制器的接口電路比較簡(jiǎn)單，連接系統(tǒng)時(shí)鐘至外設(shè)32.768 KHz，利用UART接口與飛行控制計(jì)算機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)通信。

1.2執(zhí)行機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)模塊

無(wú)刷型直流電機(jī)具有周期長(zhǎng)、效率高等特點(diǎn)，它與無(wú)刷電機(jī)共同應(yīng)用于執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制系統(tǒng)中。引擎是飛機(jī)姿態(tài)控制的重要?jiǎng)恿?lái)源，無(wú)刷式直流電機(jī)的工作原理是通過(guò)氣動(dòng)使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速變化來(lái)改變飛行姿態(tài)。以PWM波形為控制信號(hào)對(duì)無(wú)刷直流電機(jī)進(jìn)行控制，由DSP發(fā)出的PWM信號(hào)具有不同的占空比，根據(jù)這些信號(hào)，電機(jī)也會(huì)產(chǎn)生不同的速度，從而造成不同的飛行姿態(tài)，滿足飛行需求。

1.3電源模塊

動(dòng)態(tài)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)至關(guān)重要，為確保系統(tǒng)的正常供電，首先要對(duì)系統(tǒng)的功率需求進(jìn)行分析，然后根據(jù)最大輸入電流等參數(shù)，選擇合適的調(diào)功器進(jìn)行電路設(shè)計(jì)。選壓指標(biāo)：輸入5 v，輸出3.3 v，最大輸出電流300毫安以上。最后選定的調(diào)壓器最大輸出電流為500毫安。

系統(tǒng)供電方案如圖2所示。

系統(tǒng)供電方案設(shè)計(jì)中是通過(guò)發(fā)電機(jī)組將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能、干電池將化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿姆椒?，由于發(fā)電機(jī)組和電池不充電，而這兩個(gè)極子分別帶正、負(fù)電荷，因此只需加個(gè)電壓來(lái)使它們產(chǎn)生電壓。當(dāng)電池組的兩極與導(dǎo)體相連時(shí)，正電荷和負(fù)電荷通過(guò)放電產(chǎn)生電流，充完電后，電流（壓力）就沒(méi)有了。干電池就是所謂的電源，把交流電源通過(guò)變壓器和整流器轉(zhuǎn)換為直流電源的裝置叫作整流電源，能夠發(fā)出信號(hào)的電子裝置叫作信號(hào)源，三極管能對(duì)前面發(fā)出的信號(hào)進(jìn)行放大，然后將放大后的信號(hào)傳送到后面的電路中給系統(tǒng)供電。

2軟件功能設(shè)計(jì)

在主控軟件設(shè)計(jì)中，采用GPS數(shù)據(jù)讀取、遙控?cái)?shù)據(jù)接收、主回路控制頻率等，提高了軟件系統(tǒng)功能，像高度計(jì)這樣的部件就減少了CPU的工作負(fù)荷，無(wú)須CPU干預(yù)就能實(shí)現(xiàn)地面數(shù)據(jù)的輸出和采集。

根據(jù)深度學(xué)習(xí)的原理對(duì)無(wú)人機(jī)控制系統(tǒng)軟件進(jìn)行局部設(shè)計(jì)，深層次的學(xué)習(xí)需要分析的原理是：將圖像劃分成2000-3000年的候選區(qū)域，CNN提取每個(gè)區(qū)域的特征，然后通過(guò)支持向量機(jī)訓(xùn)練分類器對(duì)這些特征進(jìn)行分類和排序，并根據(jù)意識(shí)到的邊界框回歸算法對(duì)最終目標(biāo)框進(jìn)行遷移。在克服了傳統(tǒng)方法的缺點(diǎn)之后，CNN仍沒(méi)有很好的運(yùn)行效率，因?yàn)槊總€(gè)候選區(qū)的整個(gè)網(wǎng)絡(luò)需要重新計(jì)算。利益區(qū)域策略把候選區(qū)域映射到CNN模型特征層。針對(duì)R-CNN提取卷積特征的冗余操作，如果不想重復(fù)地輸入來(lái)自不同區(qū)域的圖像，則需要直接匹配所有提取的相應(yīng)區(qū)域的深度特征。

在整個(gè)無(wú)人機(jī)系統(tǒng)中，軟件系統(tǒng)也是其重要組成部分，各種任務(wù)調(diào)度和復(fù)雜算法的實(shí)現(xiàn)都需要軟件系統(tǒng)的支持。若以硬件系統(tǒng)為主體，則以軟件系統(tǒng)為靈魂，構(gòu)成了整個(gè)無(wú)人機(jī)系統(tǒng)。該軟件系統(tǒng)主要由底層硬件驅(qū)動(dòng)程序、硬件抽象層程序、板級(jí)支持程序和應(yīng)用程序三部分組成，還包括層與子系統(tǒng)的接口、協(xié)議定義和格式等，設(shè)計(jì)的功能軟件具有良好的通用性、可移植性和可讀性。

軟件系統(tǒng)架構(gòu)如圖3所示。

無(wú)人機(jī)執(zhí)行指令的過(guò)程就是對(duì)飛行姿態(tài)的有效控制，主要包括俯仰、橫搖和傾斜的飛行姿態(tài)。不同的任務(wù)可以在執(zhí)行命令時(shí)同時(shí)實(shí)現(xiàn)不同的姿態(tài)，如能進(jìn)行上述檢測(cè)，則整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)入另一種狀態(tài)，也就是等待指令的狀態(tài)。相反，如果無(wú)人機(jī)沒(méi)有接收到任何與上述指令相關(guān)的指令，那么軟件將分析并計(jì)算相應(yīng)指令來(lái)準(zhǔn)備下一條新的指令。

3結(jié)束語(yǔ)

隨著無(wú)人機(jī)技術(shù)和產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，在軍事、民用、工業(yè)、農(nóng)業(yè)和服務(wù)行業(yè)等各領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，無(wú)人機(jī)受到了國(guó)內(nèi)外的高度重視?？萍既藛T通過(guò)對(duì)無(wú)人機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)問(wèn)題進(jìn)行了深入的研究與分析，并結(jié)合無(wú)人機(jī)的非線性、強(qiáng)耦合、欠驅(qū)動(dòng)等特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一套基于深度學(xué)習(xí)技術(shù)的智能無(wú)人機(jī)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了智能程度高、適應(yīng)惡劣環(huán)境能力強(qiáng)、任務(wù)完成效率高的優(yōu)點(diǎn)。由于無(wú)人機(jī)無(wú)人駕駛系統(tǒng)較為復(fù)雜，涉及綜合理論、建模和控制技術(shù)等各個(gè)方面，目前在無(wú)人機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面還處于初步探索階段，難免會(huì)存在許多問(wèn)題。因此，在未來(lái)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中應(yīng)不斷加強(qiáng)研究創(chuàng)新工作，以提高無(wú)人機(jī)的應(yīng)用水平，其中主要包括以下幾個(gè)方面：

（1）在系統(tǒng)建模和實(shí)際測(cè)試中發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)存在辨識(shí)問(wèn)題，當(dāng)四臺(tái)電機(jī)驅(qū)動(dòng)時(shí)與響應(yīng)上存在不一致性，輸出指令的響應(yīng)與實(shí)際有一定的差異，應(yīng)進(jìn)行補(bǔ)充與改進(jìn)。

（2）智能無(wú)人機(jī)離不開(kāi)一個(gè)地面站，因此必須加強(qiáng)對(duì)地面站的設(shè)計(jì)和發(fā)展。