無人機運動軌跡跟蹤系統(tǒng)的設計研究

關(guān)鍵詞：無人機；軌跡跟蹤系統(tǒng)；北斗通信

中圖分類號：TP273；TN99；V249.1 文獻標識碼：A

0 引言

無人機在大多數(shù)場合都需要沿期望軌跡連續(xù)、準確地飛行，但傳統(tǒng)的控制方法很難達到這種效果，因此自動準確地跟蹤和管理飛行軌跡的能力是無人機的必備技能。由于無人機具有非線性、前驅(qū)動、強耦合等特性，傳統(tǒng)的控制方法難以實現(xiàn)動態(tài)性能指標[1]。北斗通信系統(tǒng)由空間段、陸地段和用戶段組成，為全球用戶提供定位和導航服務，具有高精度傳輸和通信能力。為了有效應對外部環(huán)境擾動和自參數(shù)不確定性對無人機的影響，本文設計了基于北斗的新型無人機運動軌跡跟蹤系統(tǒng)。

1 基于北斗通信技術(shù)的協(xié)議格式定義

1.1 業(yè)務數(shù)據(jù)報文

業(yè)務數(shù)據(jù)報文即無人機軌跡數(shù)據(jù)協(xié)調(diào)報告。在北斗通信中，由于相鄰節(jié)點距離小，數(shù)據(jù)包的收集面臨一定的挑戰(zhàn)。在實際應用場景中，為確保系統(tǒng)運行順暢與準確，北斗短報文設備與軌跡控制主機的配置數(shù)量需保持一致。無人機路線數(shù)據(jù)傳輸單一，僅由數(shù)據(jù)庫主機對這些數(shù)據(jù)進行存儲，因此存儲過程必須遵循業(yè)務數(shù)據(jù)報文規(guī)范。

1.2 運維報文

在無人機軌跡跟蹤控制系統(tǒng)的構(gòu)建與運作過程中，運維報文作為該系統(tǒng)的核心要素，對保障系統(tǒng)通信數(shù)據(jù)的傳輸能力具有至關(guān)重要的作用。在明確既定數(shù)據(jù)消息傳輸起始點與終止點的前提下，運維報告中的數(shù)據(jù)參數(shù)數(shù)量與其對實時傳輸通信信息能力的強化效果，呈現(xiàn)顯著的正相關(guān)關(guān)系。初始通信位置決定了操作參數(shù)和維護報告的最低規(guī)范條件[2]。在北斗通信技術(shù)的支持下，每架無人機運行軌跡的起始點均被嚴格設定為傳輸運維報告的首要基準坐標。此外，關(guān)于傳輸終止位置的確定，信息報文的最終傳輸點成為劃定運維報文數(shù)據(jù)參量最大限定條件的關(guān)鍵參照點。這得益于北斗通信技術(shù)的精準應用，工作人員能夠精確識別并標記無人機軌跡中每日的關(guān)鍵節(jié)點，進而將其設定為運維報文傳輸?shù)慕K止位置。

1.3 通知協(xié)商報文

通知協(xié)商報文是明確闡述無人機控制系統(tǒng)與運動終端之間所采用的身份協(xié)商通信協(xié)議。經(jīng)過對比與分析，相較于運維報文，通知協(xié)商報文在集成北斗通信能力方面展現(xiàn)出更為卓越的性能。通知協(xié)商報文利用加密技術(shù)處理飛行軌跡數(shù)據(jù)，恢復主機中控關(guān)鍵節(jié)點，并基于北斗通信節(jié)點，實時確定飛行路徑數(shù)據(jù)傳輸位置。表1 為報文協(xié)議格式對比。

2 無人機運動軌跡跟蹤系統(tǒng)模型設計

2.1 無人機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本文設計的無人機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中，電機為螺旋槳提供驅(qū)動力，確保其高速旋轉(zhuǎn)。電源被激活后，狀態(tài)指示燈持續(xù)亮燈，相機記錄無人機運動軌跡，并通過北斗通信將軌跡信息實時傳輸至控制系統(tǒng)。當電機供電效能減弱時，螺旋槳自動調(diào)節(jié)適配電池剩余能量。天線接收并識別北斗通信數(shù)據(jù)，并且傳遞至Micro 主機。槳葉保護罩負責保護螺旋槳且提供支撐。開源控制器用于確立無人機運動擴展模塊與控制系統(tǒng)的通信機制。北斗通信節(jié)點布局影響無人機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)間的連接與交互。

3 系統(tǒng)主控結(jié)構(gòu)

無人機運動軌跡跟蹤控制系統(tǒng)架構(gòu)如圖1 所示。

3.1 全驅(qū)運動結(jié)構(gòu)

在無人機運動軌跡跟蹤系統(tǒng)中，動力信號控制器是關(guān)鍵。全驅(qū)運動結(jié)構(gòu)可以根據(jù)節(jié)點模式實時調(diào)整軌跡并預測路徑，將數(shù)據(jù)文件安全傳送至控制中心，制定操作指令并監(jiān)控飛行路徑[3]。采用LANC2與SGF65C 芯片負責實時調(diào)試，PG863J 芯片則主要負責調(diào)節(jié)系統(tǒng)控制主機與無人機運動軌跡節(jié)點之間的跟蹤匹配關(guān)系。RL611 與Pr4 ～ Pr7 設備確保穩(wěn)定連接，動態(tài)確定節(jié)點狀態(tài)，保障安全飛行。

3.2 自適應控制器

自適應控制器以控制芯片為主要應用結(jié)構(gòu)，其可以錄入無人機速度、軌跡節(jié)點坐標、通信數(shù)據(jù)參數(shù)等數(shù)據(jù)，對這些數(shù)據(jù)進行精確處理并生成可執(zhí)行命令文件。關(guān)鍵數(shù)據(jù)參數(shù)將直接存儲于系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫主機[4]。如圖2 所示，主供應電路負責生成信號并傳輸至控制芯片，經(jīng)由變換器生成穩(wěn)定電流通信信號。核心信號參數(shù)集成至控制芯片，創(chuàng)建了標準化輸出文件，實現(xiàn)了北斗通信主機穩(wěn)定操作和功能恢復。關(guān)鍵參數(shù)需嚴格滿足北斗通信技術(shù)要求，確保無人機運動軌跡的精準跟蹤控制。

3.3 姿態(tài)調(diào)節(jié)器

姿態(tài)調(diào)節(jié)器已全面融入無人機運動軌跡監(jiān)測系統(tǒng)的重要子模塊中。這些子模塊肩負精確記錄無人機運動行為的重任，并通過核心控制主機的深入分析，詳細考察飛行路徑上通信節(jié)點的布局。為確保通信的穩(wěn)定性和可靠性，構(gòu)建控制系統(tǒng)組件與控制主機之間的通信機制，必須嚴格遵循北斗通信技術(shù)的核心準則。此外，在無人機飛行軌跡監(jiān)測系統(tǒng)中，姿態(tài)調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)的切換行為始終受到輸入電路核心部件精準、嚴密的監(jiān)控與控制，以確保無人機飛行的穩(wěn)定性和安全性。

無人機通信節(jié)點的早期存儲工作也需遵循相關(guān)規(guī)范，確保系統(tǒng)的穩(wěn)定運行和數(shù)據(jù)準確性，使控制主機可以充分利用運動柜機。目前，該控制系統(tǒng)制定的運動軌跡跟蹤指令能夠較好地滿足實際應用的要求。

3.4 軌跡追蹤器

軌跡追蹤器負責記錄無人機運動，實現(xiàn)通信節(jié)點重排?；诒倍吠ㄐ偶夹g(shù)，系統(tǒng)主機能夠直接記錄追蹤器數(shù)據(jù)，確保軌跡節(jié)點數(shù)據(jù)準確[5]。通過調(diào)整軟硬件條件，實現(xiàn)無人機運動軌跡跟蹤控制系統(tǒng)的順利運行。

4 系統(tǒng)仿真分析

在無人機的飛行軌跡中，滾轉(zhuǎn)角、俯仰角和偏航角是3 個不同的觀測角度。如果通過控制主機獲得的3 個觀測角度的監(jiān)測結(jié)果與無人機的實際軌跡一致，則能夠判定控制主機可以對無人機的運動軌跡進行準確的監(jiān)測和控制；如果從任何一個觀測角度觀察到的結(jié)果與無人機的軌跡之間存在顯著差異，則判定控制主機無法準確跟蹤和控制無人機的整個行進軌跡。通過運用基于北斗通信技術(shù)的無人機運動軌跡追蹤控制系統(tǒng)，對中控主機實施干預，作為實驗組；采用基于自適應積分反步法的應用系統(tǒng)，對中控主機實施干預，作為對照組。

4.1 滾轉(zhuǎn)角跟蹤結(jié)果分析

滾轉(zhuǎn)角跟蹤結(jié)果的初始坐標設定為（0，554），在實驗過程中，實驗組無人機的運動軌跡與實際飛行軌跡保持了高度的一致性；對照組無人機的運動軌跡在橫縱坐標上顯示出持續(xù)的波動，其整體變化趨勢與實際飛行軌跡不符，且兩種軌跡之間存在顯著差異。

4.2 俯仰角跟蹤結(jié)果分析

俯仰角跟蹤從（0，0）開始。實驗組無人機運動軌跡與實際軌跡吻合，追蹤性能良好；對照組無人機運動軌跡波動顯著，與實際軌跡的差異較為明顯。

4.3 偏航角跟蹤結(jié)果分析

偏航角跟蹤結(jié)果的初始坐標設定為（0，263），在實驗過程中，實驗組無人機的運動軌跡與實際運動軌跡保持了良好的一致性；當橫坐標數(shù)值為100 ～ 300 時，對照組無人機的實際運動軌跡與預期軌跡相吻合，但是從整體視角來看，相較于實驗組，對照組與實際軌跡的吻合程度較差。

5 結(jié)論

綜上，本文研究了無人機運動軌跡控制系統(tǒng)的設計，針對無人機非線性、強耦合等特點，提出了一種基于北斗通信技術(shù)的無人機運動軌跡跟蹤控制方法，定義了協(xié)議文件連接形式，構(gòu)建了無人機動力學模型。實驗結(jié)果表明，該控制系統(tǒng)運行良好，控制主機具有很強的實用性，支持通過主機組件對無人機的整條行進軌跡進行準確追蹤與控制。