无人飞行器（精选十篇）
无人飞行器 篇1
1.1 设计思路
四旋翼无人搜救飞行器是一种由4个电机提供6个自由度的垂直起降飞行器,是一种由固定在刚性十字交叉结构上的4个电机驱动的一种飞行器。
飞行器飞行动作依靠4个电机的转速差进行控制,4个旋翼设计处于同一高度平面,4个旋翼的结构和半径都相同,并且飞行器的前后和左右两组对称布置螺旋桨的转动方向相反。通过改变螺旋桨旋转速度来改变升力大小,进而改变四旋翼直升机的姿态和位置。因为四旋翼飞行器其机械结构相对简单,可由电机直接驱动,无需复杂的传动装置,便于微型化,所以近年来研发速度较快,应用比较广泛[1]。
四旋翼飞行器按照旋翼布置方式有十字模型和X模型,对于姿态测量和控制来说,2种方式差别不大。考虑到飞行器飞行的稳态,为了使飞行器飞行过程中安全性更高,本设计使用十字交叉布置方式,结构形式如图1所示。
1.2 结构说明
飞行器设计为十字交叉型,通过计算机身长度设计60 cm~90 cm之间结构最为坚固,主要由飞行控制台、起落架、尾管、电动机组成,如图2、图3所示。
2 性能与技术指标
2.1 物理尺寸与性能指标
实体建模模型如图4所示。
飞行控制台是直径为15 cm高为8 cm的圆形桶,尾管长度l=25 cm;起落架长、宽各为p=30 cm;高A=17 cm。飞行器控制台、尾管、起落架均采用6061铝合金。设计载重300 g;全备起飞质量1 000 g;飞行时间:15~20 min;控制距离:半径500 m;最大飞行速度:50 km/h。
2.2 理论计算
a)设计参数
尾管材料采用6061空心铝合金,直径为12 mm,壁厚1.0 mm;起落架材料为6061空心铝合金,直径为6 mm,壁厚1 mm;电动机采用螺钉卡扣拧紧连接。如图5所示。
b)设计校核
先根据尾管和连接部分的参数计算出飞行器可承受的最大载荷,然后校核在该载荷下尾管是否满足要求。下面先计算飞行器最大载荷。
1)根据支撑杆作为拉压杆的强度条件计算最大载荷。
尾管部分制作材料为6061铝合金。6061铝合金的强度极限为σb=124 MPa;弹性模量E=72 GPa;许用应力[σ]=55.2 MPa;弯曲极限强度σbb=228 MPa。
则可确定支撑杆最大载荷:
2)根据尾管与云台连接件的强度计算最大载荷。
根据剪切强度计算;可以按简支梁最大应力计算,最大弯矩产生在尾管与云台连接处:
最大正应力发生在尾管与云台交接处截面的上下边缘,最大应力:
因为σmax<σbb,所以尾管结构符合强度要求[2]。
3)对起落架进行校核。
起落架与地面夹角α=59.5°,设满载时支架受压力最大,设其值为Fmax。根据平衡方程:∑Mc=0,得:
由三角形定则求出:
斜杆AB的轴力为FN=Fmax=2.9 N
由此求的AB杆横截面上的应力为:
4)根据起落架支撑杆的压杆稳定性计算最大载荷。
根据支撑杆的尺寸计算可知,支撑杆为中小柔度杆,所以采用中小柔度杆的计算公式进行计算。支撑杆长度:
惯性半径:
一端固定一端自由;
所以,压杆的柔度:
可据此确定支撑杆最大载荷:
所以符合强度要求[3]。
3 结语
本文创新特点如下:
1)飞行器采用6601铝合金材质,质量轻,性价比高。
2)飞行器采用卡口连接,螺丝固定方式拼接,拆装方便,容易携带,机动性高。
3)采用全身铝合金材质,提高了飞行器的信号接受能力,同时提高了飞行器的强度。
摘要：四旋翼无人搜救飞行器合理的结构设计是飞行器稳定飞行的前提,飞行器性能的稳定取决于设计结构的优化程度。通过对四旋翼无人搜救飞行器结构的分析、建模、运算来设计四旋翼无人搜救飞行器的结构,使其性能更加稳定可靠。
关键词：四旋翼无人搜救飞行器,结构,设计
参考文献
[1]杨明志,王敏.四旋翼微型飞行器控制系统设计[D].南京:南京航空航天大学,2008.
[2]哈尔滨工业大学理论力学教研室.理论力学(Ⅰ)[M].7版.北京:高等教育出版社,2009.07.
无人飞行器 篇2
国家测绘局举办基于低空无人飞行器航测遥感系统成果汇报展示会，国土资源部副部长、国家测绘局局长徐德明出席
图为国家测绘局局长徐德明（右三）、副局长李维森（右一）观看试飞成果。本报记者 吴江 摄
本报讯 记者王玉玲报道 我国将在全国范围内推广基于应用国产低空无人飞行器航测遥感系统，为数字城市建设、国家应急救灾、国土资源监察和新农村测绘保障等工作提供便捷高效的数据获取手段。这是记者日前从国家测绘局举办的基于低空无人飞行器航测遥感系统成果汇报展示会上获悉的。国土资源部副部长、国家测绘局局长徐德明，国家测绘局副局长王春峰、李维森，总工胥燕婴出席展示会。李维森在会上讲话。
基于低空无人飞行器航测遥感系统是高分辨率高精度遥感影像获取和处理的新技术。它以无人驾驶飞行器为飞行平台，负载数码相机、数码摄录机等数字遥感设备进行拍摄和记录，通过遥感数据处理技术进行影像的同步传输，以实现对地理信息的实时调查与监测。
展示会上，分别来自科研院所、企业共5家单位的20多个机型的低空无人飞行器引起了媒体的高度关注。徐德明在现场接受中央电视台的采访时说，近年来，随着我国地理信息事业的飞速发展，以卫星遥感和普通航摄技术为主的测图手段由于数据获取能力不足和现势性差等问题，已经无法满足社会经济建设的基本需要。而基于低空无人飞行器航测遥感系统以低成本、高效率地解决小范围、全天候、高现势性的地理信息数据获取问题，以其机动灵活、适用范围广、安全高效及操作简便的特点在数字城市建设、新农村建设测绘保障、灾害应急与处理、重点工程建设、国土监察、资源开发等领域初露锋芒，成为我国现有测图手段的有效补充。徐德明形象地说，利用基于低空无人飞行器航测遥感系统可进行低空飞行作业，一方面可降低飞行对天气的依赖，另一方面可形成高分辨率和高清晰度的影像信息。同时无人飞行器对起飞与降落的条件要求极为宽松，可以采用弹射式、手抛式等多种起飞方式，也可以进行“一键式”回收，真正实现“点哪飞哪”的飞行目标。而且，由于基于低空无人飞行器航测遥感系统的制造成本远远低于卫星遥感和普通航空摄影，可使航空测图扩展至农业生产、新农村建设以及日常社会经济活动的领域。国家测绘局十分重视基于国产低空无人飞行器航测遥感系统的研发工作，目前已有多家机构10余个型号的产品通过了国家测绘局的科技成果鉴定。
李维森在会上说，发展基于低空无人飞行器航测遥感系统是为国土资源服务的迫切需要，是提高测绘现势性的迫切需要，是解决应急救急问题的迫切需要，是构建数字中国、数字城市建设的迫切需要。李维森指出，目前基于低空无人飞行器航测遥感系统还处在发展初期，很多地方还有待完善，还存在不少问题，如缺少真正适合航测的基于无人飞行平台，采用民用数码相机难以满足高精度的测绘要求，系统的稳定性和可靠性还不能满足恶劣环境下的高强度作业要求，系统集成的关键技术有待进一步突破等。因此，第一，要加快生产、配备基于低空无人飞行器航测遥感系统。要尽快在各个省级测绘单位首先发展，先把省级队伍装备起来，然后有条件再推到市里，要优先配备为国土资源和数字化城市建设服务的队伍。第二，要加大基于低空无人飞行器航测遥感系统的研发力度。国家测绘局已经向科技部申请了轻小型航空遥感“863”重点项目，当前就是要组织好力量，在测绘遥感专用无人机的技术标准和设计要求制定、适用的机载传感系统研制、相关核心技术瓶颈、系统可靠性和稳定性等方面取得突破。第三，要加强基于低空无人飞行器航测遥感系统的管理和相关制度的建立。尽快制定基于低空飞行器航测遥感系统的应用管理规章和相应的内外业作业流程及规范。第四，要建立起系统完善的服务体系。第五，要做好相关成果的宣传工作。一定要大力宣传，扩大测绘高新技术产品在社会上的知名度和影响力，拓展潜在客户群，为相关成果推广做好服务。
如何选择基于低空无人飞行器航测遥感系统
新任的国家测绘局局长徐德明表示要在全国推广无人飞行器航测遥感系统
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看到这样的消息，个人感觉是喜忧参半：喜的是可算是盼到这一天了，终于可以看到无人机黎明的曙光，几年的功夫没算白费，也为我们能在这个领域施展拳脚提供了更广的空间平台；忧的是我们这一行的现状还没有乐观到可以产业化的程度，这一点可能就连高层用户（国测）也不是很了解，他们看到的可能全是非常漂亮的无人机样品，和一些花拳秀脚摆设，他们或许还没认识到这些系统的运用还是离不开非常专业的人员操作。报道称，无人机可以在20---400米高度作业，不知是报道有误，还是业内人士忽悠记者，记者再误导大众，搞不懂用于测绘遥感的无人机，飞那么低想要干啥，表演吗？！
这些所谓的客户们可能以为用无人机测绘遥感系统可以解决传统方法无法完成的测绘任务，诸如现势性、全天候、低空云下，随时随地可以作业，还有令人头痛的精度等等。（报道说：传统测图手段由于数据获取能力不足和现势性差的技术局限，已经无法满足中国经济建设的基本需要。而低空无人飞行器航测遥感系统可进行低空飞行作业，一方面降低了对天气的依赖，另一方面可以形成高分辨率和高清晰度的影像信息。）岂不知无人机也存在同样的问题。摘自国测副局长的一段表示：
李维森在会上说，发展基于低空无人飞行器航测遥感系统是为国土资源服务的迫切需要，是提高测绘现势性的迫切需要，是解决应急救急问题的迫切需要，是构建数字中国、数字城市建设的迫切需要。李维森指出，目前基于低空无人飞行器航测遥感系统还处在发展初期，很多地方还有待完善，还存在不少问题，如缺少真正适合航测的基于无人飞行平台，采用民用数码相机难以满足高精度的测绘要求，系统的稳定性和可靠性还不能满足恶劣环境下的高强度作业要求，系统集成的关键技术有待进一步突破等。因此，第一，要加快生产、配备基于低空无人飞行器航测遥感系统。要尽快在各个省级测绘单位首先发展，先把省级队伍装备起来，然后有条件再推到市里，要优先配备为国土资源和数字化城市建设服务的队伍。第二，要加大基于低空无人飞行器航测遥感系统的研发力度。国家测绘局已经向科技部申请了轻小型航空遥感“863”重点项目，当前就是要组织好力量，在测绘遥感专用无人机的技术标准和设计要求制定、适用的机载传感系统研制、相关核心技术瓶颈、系统可靠性和稳定性等方面取得突破。第三，要加强基于低空无人飞行器航测遥感系统的管理和相关制度的建立。尽快制定基于低空飞行器航测遥感系统的应用管理规章和相应的内外业作业流程及规范。第四，要建立起系统完善的服务体系。第五，要做好相关成果的宣传工作。一定要大力宣传，扩大测绘高新技术产品在社会上的知名度和影响力，拓展潜在客户群，为相关成果推广做好服务。
从这段表述看，这行还没有热到令人头脑发昏的程度。还能清醒地看到其中的不足和需要完善的地方。我觉得可能存在以下一些问题（纯属个人认识）
一、首先还是体制上的问题，省一级的测绘局级单位（局长说了还要在市一级也要推广）在编制上有可能为这套系统配备一套专业的技术人员吗？可以培训，但需要多长时间才能达到有效正常作业的程度？有可能是一旦他们有了这套系统，供应商的售后服务就会像哺乳永远长不大的婴儿一样为其做终身”奶妈”；或还有一种可能就是因玩不转而让他放在仓库里或某个陈列馆里睡大觉和摆样子。山西国土厅用于监测非法煤矿的无人机项目就是例子。所以，如果没有一个灵活的运作机制，外业飞行团队将是制约其应用发展的瓶颈。
二、技术上能达到全天候和随时随地吗？我在外业工作过程中感受太深太多，所以想在这个问题上多罗嗦几句。
A、据我所知，要想获得一定质量标准的航片，对天气的要求不会那么随便，“靠天吃饭” 是干我们行的口头语：雨天不能飞、阴天不能干、云低了不行、风太大了也不成、一天最佳时间段（10点至15点，最好的时间口大概是正午左右两个小时）以外不能作业。。。即载人航测机不能作业的时间里，无人机同样不能作业。
B、要求航测无人机能随时随地展开作业，对机型的选择就成为关键。无人机可以不用专用的机场或跑道，这点不错，但不等于说不需要场地啊。针对不同的机型，对场地的要求也有很大不同。有无人机作业经历的人，可能都有这样的认识，在接到飞行任务书确定了作业区域后，首先是找用于起降的场地，一旦找到合适的起降场地，任务就完成了一多半了。因为场地问题是解决安全作业的首要因素，绝大多数飞行事故都出在起飞和降落阶段。见针对我们常用或用惯的机型对场地的要求：（http:///content.asp?db=TECH&id=1106617）。
我的感受是：
1、常规布局、后三点、有滑翘的飞机，它能适合多样复杂场地。在这几年的作业中发现，这种布局的飞机，可以在不是很平的土地、草地、河滩上顺利起降，对地面平整度要求低，经常是连蹦带跳、连滚带爬的完成起降，非常皮实耐用。
2、那种后退的、双尾撑、前三点的看似很漂亮、很像无人机的飞机，对场地的挑剔程度就有点苛刻了，很难做到“随时随地”完成作业任务，如果是出于宣传和演示为目的的飞行还是不错的。我有点不明白国测为省测配备的是什么形式的无人机系统，早些时候就听说有这么回事，据说一套系统要150w。我是想当然的认为：肯定会是那种外表很酷、后推的、全复合材料、看着很像回事的那种吧，像这样的：
但这样形式和布局的无人机对起降场地的要求就太苛刻了，得找有机场的地方，肯定做不到随时随地应对复杂场地的，应用范围将受到很大的限制。只能在跑道条件极好的条件下完成作业任务，还得提心吊胆的——很贵哟！真要给我这么个玩意要我飞，我宁可把它当爷供起来才省心。别提什么弹射伞降，这种方式不是想象的那么靠谱，对飞行安全的系数太低不说，还要有一辆专车和一大帮人伺候它，是个费心费力的差事。我们平时能看到的都是在给用户做演示和实验时，挑个好的可以滑跑起降的场地-----在那表演。再说这种方式也还是需要满足一定的场地和空域要求。恰在山区地形这类的区域里，地面找不到一块稍微平坦、周围开阔到能为飞机顺利起降的一块空域的场地。有时，即使供支设弹射架的场地也很难找到。像下面图中这类场地肯定适应不了。
三、针对以上问题讨论，什么样的飞行平台系统更能适合将要推广的‘无人飞行器航测遥感系统’。这个问题有点杞人忧天，早在两三年以前就有具有军方和政府背景的某公司投入重金（近2亿）开发这一系统，还有可能正是在他们的推动下，这个项目将要推广应用于全国（仅是个人猜测）。因牵扯到系统问题，诸如机载遥感设备多样化小型化问题、后期处理精度问题、可靠性问题等等，面太宽了，不便在此展开讨论。仅就无人机平台的形式和技术参数等进行讨论---仅限于本论坛或圈内的纯技术讨论。
在此先提出对飞行平台的要求，供讨论：
一、能满足在仅使用小型高像素数码相机完成测绘遥感作业；
二、能满足高效快捷简便安全获取数据；
三、尽可能满足随时随地展开作业；
四、尽可能满足准全天候如抗风能力、非夜间、阴天但可在云下作业的平台。
五、尽可能完成载人机不便或无法完成的情况下，由无人机来完成。如多块小面积、危险场所、远离机场或没有可供其起降场地的区域。
六、其他要求，大家提吧。
地下无人机飞行赛场 篇3
它没有统一的规则，却令无数参赛者和观众为之疯狂。
人们组建了空中运动联盟，用自制的无人机展开角逐。
接下来，有请本轮参赛者闪亮登场！
1号赛手：麦得隆
特点：令人闻风丧胆的赛场杀手，喜欢主动冲撞对手，各个击破后悠闲地飞往终点！
独白：对于这种烧钱的比赛，只有把对手打得七零八落，才能对得起我的省吃俭用！除了基本的传感器、摄像头、GPS天线，我还为“爱机”装备了昂贵而坚固的聚合物机身，它能在激烈凶猛的碰撞中更好地保护飞机，甚至能够防火和抵御猎枪的射击！落后就要挨打，那些不尽力改装自己无人机的家伙，等着吃我的致命一击吧，哈哈哈！
参赛无人机：战神
2号赛手：查尔斯
特点：无人机大赛新秀，经验虽不多，但谦逊善学，进步极快。
独白：入围此次比赛，我既兴奋又紧张，要学的东西实在太多啦！首先，你要学会焊接，了解空气动力学，以便组装起性能优良且个性化的无人机结构；其次，你要懂计算机编程、视频传输，确保你的无人机、遥控器、VR眼镜能够协调合作；最后，你要熟悉驾驶方式，确保苦心打造的无人机不毁在自己手里！
参赛无人机：黑马
3号赛手：霍来德
特点：上届冠军，各项能力均衡出色，但不把速度作为第一追求，强调稳中求胜。
独白：如果光是比速度，选用动力最强劲的马达，打造最轻质的机身，将是选手们追逐的重点。在地下无人机比赛中，飞机既要竞速，还要在空中反复搏击、互相冲撞，我们必须头戴VR眼镜，根据无人机摄像头传回的视频画面，以第一视角进行操作，像玩电子竞技游戏——反应不够快、技术太菜或者眩晕呕吐的人都可以提前退场了！
参赛无人机：王者
4号赛手：孟特
特点：速度型选手，他的无人机更加灵活且速度较快，只是不耐撞。
独白：只要把你们甩在后面，机身又轻又脆怕什么！虽然参赛者包括计算机专业人士、无人机发烧友、大学生等各行各业的高手，但不管你是谁，飞得快才是王道！每当我看着VR眼镜里高速飞行的画面，总有一种成为超级英雄的感觉！这项比赛为我吸引了大量粉丝，他们最好盯紧我的无人机，因为稍不留神，这道“影子”就从眼前消失了……
参赛无人机：幻影
初试锋芒
竞赛跑道旁竖满了各色彩旗，以激励“飞行员”们。4架无人机要沿着赛道飞完指定的圈数，途中允许互相攻击，最快飞完全程者胜出！
一声枪响，全场沸腾！坐在场边的4名选手一起发力，3架无人机腾空展开追逐！只有查尔斯的“黑马”起飞高度超标，正在裁判的示意下缓缓降低……
“天哪，他是怎么混进来的！”霍来德一脸黑线，“本以为新人是对卫冕冠军的最大威胁，我真是想多了！”他正暗自得意，忽然眼前一阵天旋地转——他的“王者”瞬间失控撞上了赛道旁的旗杆，在一阵“噼里啪啦”的碎裂声中坠机！
“什么卫冕冠军，不堪一击！”身旁传来麦得隆的狂笑，霍来德这才发觉被偷袭了，他赶忙摘下VR眼镜，一个箭步冲入赛场……
90秒生死时速
留给霍来德的时间不多了！
在无人机坠落后，每名“飞行员”有90秒的时间对无人机进行修补，接着立刻重新投入战斗，坠落3次或90秒内未能修复，即为败北！
霍来德飞奔到心爱的“王者”旁，抱起它迅速检查，一处螺旋桨折断，机身轻微破裂……万幸！不必拆开无人机，对电机、推进器或者电缆线进行耗时费力的“内科手术”！他取出携带的备用螺旋桨、钳子、电烙铁等工具，手法娴熟地展开抢救。
“9，8、7……”耳边传来裁判催命般的倒计时，一股冷汗顺着霍来德的脸颊流下……
螳螂捕蝉，黄雀在后
话分两头，当“战神”突袭“王者”时，“幻影”早就以接近160千米/时的高速远远甩开了其他对手，并且即将赶超他们一圈！
“麦得隆这个傻瓜，真把这里当角斗场！不过，感谢你牵制霍来德！”孟特心中暗喜，他戏耍似的从“黑马”身旁呼啸而过，接着，“战神”也在视频画面里越来越近……随着孟特的心跳加速，两架无人机在飞临记分牌时终于并肩飞行，突然，“战神”一个加速转向，像猛然发动的坦克车般碾压过来！孟特本能地朝相反方向躲闪，却重重地撞到了记分牌上，“幻影”在赛场中央碎成一地……
“呦嗬！比赛对技巧的要求胜过速度，更考验战略性思维和快速反应能力，所以结局往往像龟兔赛跑一样难料！”麦得隆正自鸣得意，视野侧上方闪出一个身影—“王者”正用机腹朝自己的螺旋桨撞来！又是一阵清脆的碎裂声，麦得隆知道，轮到自己被倒计时了！奇怪的是，完成复仇的“王者”没飞多远，竟像失去动力似的自行坠落，再次检查，霍来德才发现电机异常——大概是第一次撞击留下的后遗症吧！
4圈的赛程经不起等待，最终，一路顺风的“黑马”夺冠。“一开始来参加比赛，我的内心是忐忑的，但我就是要通过努力证明自己！”面对采访，查尔斯自豪满满。
无人地效飞行器控制系统设计 篇4
无人飞行控制系统对于飞行器来说就是像无形的驾驶员。该控制系统主要包含机载飞控计算机及传感器、地面遥控遥测站和无线传输设备,系统的运行正常与否直接影响任务能否顺利完成。
1 无人地效飞行器控制系统及其工作原理
无人地效飞行器由机载飞控计算机控制,它是控制系统的核心。起飞前,可预先将飞行航线写入飞控机,控制飞行器自主飞行;飞行过程中,机载传感器采集飞行数据传给飞控机;机载电台与地面电台达成飞控机与地面测控站的数据通信,地面操作人员通过测控站实时监控飞行,了解飞行状况,并发出各类指令。当飞行航线需变更时,可通过地面测控站上的操纵杆对飞行器实施控制,完成指定任务。其结构原理如图1所示。
2 无人地效飞行器的飞控系统设计
2.1 硬件设计
飞控系统是无人飞行器的“大脑”,控制飞行器的每一个动作,由3部分组成:飞控计算机、控制输入和硬件输出。其中,飞控计算机主要负责对机载传感器采集的各类信息和地面测控站的指令进行解算、输出等;控制输入是指通过外部传感器和辅助数据处理装置采集当前飞行器各种状态数据[1]。硬件输出分为2部分:1)输出信号控制伺服舵机对飞行器进行调整;2)通过机载电台将飞行器状态传到地面测控站。
2.2 软件设计
飞控计算机的处理器芯片选用TI公司的高性能处理芯片TMS320F28335,基于CCSV4.1.1软件开发平台,采用C语言进行编写,便于实现模块化设计,代码编辑、编译、汇编、链接和加载等功能集于一体,软件安装在PC机上。PC机与飞控计算机模板通过RS232串行通讯接口实现通讯,编译好的软件通过此串口通道加载烧录到飞控机,同时利用此串口进行在线调试,测试程序功能与性能。
本型飞行器的飞控软件的设计任务是进行飞行全时段实时控制,其任务是在线解算大气数据与航姿,完成地面电台与飞控计算机的双向数据通信;通过控制律在线解算,控制发动机转速,实现航姿、高度调整,完成飞行任务。软件由传感器数据采集模块、飞行控制律解算模块和控制量输出模块3部分组成。其中传感器采集模块用到的传感器主要有垂直陀螺、GPS、大气高度表等,与飞控计算机的连接方式为串行通讯和AD转换2种,按照通讯协议解算,完成数据采集。飞行控制律解算模块主要完成传感器信息融合、纵横模式管理、指令解析、控制解算和发动机控制律等环节的解算;控制量输出模块接收控制律解算模块传递的信息,实现飞行器的高度、航向、发动机转速调整,以及使用其他任务设备完成飞行任务[2]。
3 无人地效飞行器的地面测控系统设计
无人机地面测控系统是无人机控制系统的“中枢”,可实现远程遥控飞行器飞行的功能。该系统主要由无线信道、机载电台、地面电台、测控计算机、指令盘、显示器和操纵杆等组成。
地面操纵人员可通过测控台的显示界面了解飞行器的飞行状态,评估飞行任务的执行情况;通过操纵杆和指令盘发送控制指令,地面电台将指令传向机载飞控机,实时控制飞行器飞行;测控台收到的遥测数据以直观的图标显示在测控台的仪表界面上,如当前无人机的航姿、高度以及坐标,实时绘制飞行轨迹。该地面测控软件分为用户界面、数据通信和存储3个模块[3],如图2所示。
4 结语
该系统采用模块化的设计思想,提高了系统的可靠性和维护性。通过半物理仿真测试,可有效完成无人地效飞行器控制任务,提高了飞行安全性能,满足设计要求,已用于实际的工程项目。
参考文献
[1]沈自然.无人机自主航迹规划与地面测控技术研究[D].南京:南京航空航天大学,2011:49-56.
[2]吴益明,卢京潮,魏莉莉,等.无人机遥控遥测数据的实时处理研究[J].计算机测量与控制,2006,14(5):1-3.
长航时小型无人机数字飞行仿真研究 篇5
为了验证长航时小型无人机各子系统设计的合理性,降低系统研制周期,改进总体设计方案、减少试飞的风险,建立一个高精度的数字飞行仿真平台,其中包括无人机机体、动力推进系统、飞行控制系统、导航系统的`数学模型.通过仿真对系统稳定性、可靠性进行较为全面的验证,为后续试验提供依据.
作 者：吴自雷 余云智 王律 Wu Zilei Yu Yunzhi Wang Lv 作者单位：吴自雷,余云智,Wu Zilei,Yu Yunzhi(中船重工第七一六研究所,连云港,22)
王律,Wang Lv(南京航空航天大学,南京,210016)
无人飞行器 篇6
DARPA之所以要发展这样的无人机，就是看到它可以作为新型空中监视平台和机载通信节点的潜力，而且与卫星相比，这种平流层无人机具备独特的性能优势。首先，卫星的轨迹基本上是固定的，如果要改变轨道，必须消耗大量的燃料，此外间谍卫星的轨道高度大约为420千米，这些都限制了卫星探测、监听的能力。其次，卫星无法停留在某一区域上空进行持续监视和监听，除非这些卫星运行在距离地球36000千米高度的同步轨道，但这一高度对于高清晰度成像来说实在太高了，对于通信卫星来说，其信号会产生明显的时滞，使其无法用于战场快速通信支援。其三，卫星的设计寿命通常为5年，现在，很多卫星的服役时间都会超过这一数字，但由于卫星的在轨维护难度过高，因此，卫星最终都将成为太空垃圾。与之对照，平流层无人机具有很强的机动性，它能够从很高的高空(法律上属于国际空域)合法地侵入一个国家的腹地，也能围绕一个国家的边界飞行，其战术想定是，“秃鹰”无人机飞行于18000米高空，能够提供飞行轨迹下宽度1200千米的高清晰战场图像。无人机的飞行高度仅为间谍卫星轨道高度的1／10，可获得更清晰的侦察图像，提供没有时滞的通信服务。无人机一旦出现故障，控制人员可控制其着陆，进行维修或升级，之后再次投入使用。DARPA之所以要发展“秃鹰”无人机也正是基于上述考虑，当然对于这种无人机的其他用途，DARPAIT广开言路，以期获得更多的奇思妙想。
2008年4月，DARPA授予美国国防工业巨擎——波音公司、洛克希德·马丁以及专门研制生产无人机的极光飞行科学公司总计400万美元的设计合同。他们将基于最初的12个月的技术分析进行“秃鹰”无人机设计，胜出者将进入该计划的第二阶段，在这一阶段，获胜一方将研制亚尺寸样机，该样机能连续滞空3个月。而在第三阶段，获胜厂商将开始研制能连续滞空1年的全尺寸样机。尽管“秃鹰”无人机的研制工作已经启动，但这种无人机是否真的能实现连续飞行5年的目标，这三个公司的技术人员也不能给出肯定的答案，因为“秃鹰”的研制将面临众多技术挑战。
连续飞行5年时间，最大技术挑战就是动力问题。由于“秃鹰”无人机飞行在平流层，可不受任何阻碍地吸收太阳能，从而产生充足的电力用于飞行，而太阳能是取之不尽，用之不竭的，因此，以太阳能作为动力就成为无人机研制的唯一答案。但无人机不能只在白天工作，在黑夜也要能正常飞行，这就涉及到能量储存的问题，而这恰恰是最难以解决的。从上世纪90年代末，美国先后研制了“探险_-者”、“探险者+”、“太阳神”太阳能动力飞机，并且先后创造了飞行高度的世界纪录，但在能量储存这一问题上仍未取得突破，而“太阳神”无人机还在寻求这一技术突破的过程中坠毁。“秃鹰”无人机能否最终研制成功，能量存储是最为关键的环节，因此参与该计划5-公司的技术人员都在加紧动力子系统的研发。从目前披露的信息来看，能量存储主要有两种技术方案，即燃料电池和锂电池。燃料电池方案的技术原理是，在昼间，太阳能电池板产生的电能除直接用于推进外，将用于电解水，产生氢气和氧气分别存储。到了夜间，氢气和氧气通过燃料电池进行化和作用，重新变成水，并产生电流，驱动无人机飞行。整个系统完全封闭，只要不存在泄漏，所有泵和阀门都保持完好，那么这一过程就可以持续不断地进行下去。锂电池方案很好理解，即电池将昼间产生的多余电能存储起来，供夜间飞行使用。两相比较，燃料电池方案重量轻，能量密度大，但能量效率较低，只有40％～59％；锂电池的能量效率达到95％，但其重量过大，从而影响无人机的载荷能力。目前三个公司的研发人员正在两种方案中寻求平衡，但据NASA相关技术人员的评估，这项技术在近期内还无法达到可用的水平。即便能量存储问题能够得到有效解决，“秃鹰”无人机在使用上仍然存在地理以及时间上的限制，特别是在高纬度地区。这是因为高纬度地区在一年中昼夜长短变化非常显著，当该地区处于夏至前后时，白天很长，黑夜很短，对无人机的飞行相当有利；而当该地区处于冬至前后时，黑夜将在一天中占据绝大多数时间，无人机是否能存储足够的能量就存在很大的疑问。
除了动力问题外，先进的材料也是“秃鹰”无人机面临的重大挑战。首先，连续飞行5年时间，太阳光线除了能转化为电能驱动无人机外，光线的辐射可能会使材料老化，强度下降，昼夜温度的变化也会对机体材料产生不利的影响，因此设计人员必须考虑材料的耐用性问题，必须能够精确估算材料老化的速度以及相关参数。其次，为了获得更大的升力，“秃鹰”无人机的翼展将达约100米，例如，洛克希德·马丁公司方案的方案中，无人机的翼展达到91米，极光飞行科学公司方案的翼展甚至达151米。这就要求必须采用高强度轻质材料，而且在结构设计上必须给予机翼足够的支撑，从而避免“太阳神”无人机悲剧的再次发生。
无人飞行器避障路径规划算法设计 篇7
1 障碍物地图
目前飞行器的仿真地图普遍采用数字地图, 对于二维平面的仿真主要采用等高线地形图。等高线地形图可以通过下载SRTM高程数据获得。在本文中采用随机生成的等高线地图如图1所示, 在地图中, 将任一高度平面内的闭合曲线作为障碍物的边缘。
对地图中的障碍物进行膨胀处理满足飞行器的实际尺寸要求, 膨胀的标准按照飞行器机身一半的长度进行。膨胀后的地形图如图2所示。
2 无人飞行器路径规划
2.1 切点的确定。
利用Bresenham算法的思想确定障碍物的切线。算法采用步进的方法, 设定每次最大变化方向的坐标步进一个像素, 同时另一方向的坐标根据误差判别式的符号来决定是否步进。设直线第i点坐标为 (xi, yi) , 其最佳近似的像素点坐标为 (xi, yi) 。则下一个像素点的位置为 (xi+1, yi) 或 (xi+1, yi+1) 。
c.当时, 说明直线上 (xi+1, yi+1) 到两个像素点 (xi+1, yi+1) 和 (xi+1, yi) 的距离相等, 则二者都可以作为下一像d 0素点, 一般选取 (xi+1, yi+1) 为下一像素点。
由以上理论可以到在图2中的切点入下图5所示, 其中途中A、B两点为起始点和终点, 图形边缘上的x为切点。
2.2 算法流程。
对于实际的地形及其他障碍, 切点不止一个, 需要在不同的切点中进行合理的选择, 在选择过程中设计一个启发函数来筛选, 启发函数如下:
其中g (h) 为始发点到切点x的最小可行距离, h (x) 为切点x到终点的直线距离, 通过f (x) 进行选择, 以保证线路最短。
设定具体流程如下:
a.判断终点是否位于障碍区, 若是, 则终点不可到达, 跳到i;
b.建立一个空表OPEN, 并将始发点置于其中;
c.判断始发点与终点能否直线到达, 若是, 则始发点与终点之间的直线即为飞行路径, 跳到i;
d.从始发点开始, 利用Bresenham算法确定障碍物的切点, 若切点不唯一, 则利用f (x) 对切点进行筛选, 选择f (x) 最小的点, 并清空OPEN表;
e.f (x) 最小的点所在切线记住A, 无人飞行器沿切线A飞行;
f.当飞机飞过一个机身位置后, 进行判断是否能够直接到达终点, 若是则直线飞行到终点, 并跳到i, 否则, 进行g;
g.判断是否存在不经过当前障碍但与其他障碍有切点的切线, 若得到切点a, 则继续飞行到a, 若没有找到切点, 则跳到e;
h.将飞行器的当前点置于OPEN表中作为始发点, 跳到c;
i.搜索完成。
2.3 仿真。
算法的设计过程中满足飞行器飞行过程中的安全性, 最小航迹约束, 最大飞行时间约束。进行仿真如下图6, 图7所示, 算法的设计满足避障路径规划的要求。
3 结论
本文论述的基于切线的无人飞行器的路径规划方法, 利用Bresenham算法确定障碍物的切点, 通过启发函数对各个切点进行筛选, 得到最优切点, 使得飞行器沿着切点飞行, 最终到达终点。
参考文献
[1]吕书强, 晏磊.无人飞行器遥感系统的集成与飞行试验研究[J].测绘科学, 2007.32 (1) :84-86.
[2]蔡国玮, 陈本美等.无人驾驶旋翼飞行器系统[M].北京:清华大学出版社, 2011.
无人飞行器 篇8
无人飞行器又称无人机(UAV,unmanned aerial vehicle),是未来战争中一种不可或缺的武器装备,多架无人机编队组网能执行协同搜索、协同攻击、侦察打击一体化、电子干扰、战损评估等任务,是一种重要的作战应用模式。无人机之间要实现协同控制、任务分配、信息共享等,高效、可靠、安全的实时通信是必不可少的。一个无人机编队往往有几个节点,应能实现自动组网和多址接入。飞行器表面的散射、反射会导致多径干扰。无人机之间如仅传输任务指令、控制数据和目标指示数据等,数据量不大,信息传输速率达几至几十Kbps即可;如需实时共享视频和图像,则信息速率至少要求几至几十Mbps。无人机之间相对位置的保持、高智能化的飞行控制和编队重构等需要高精度的定位和测距技术。无人机的载荷能力有限,所以要求通信系统载荷的尺寸和重量尽可能小。另外,由于应用在军事场合,还要求通信系统具有很好的安全性和保密性。
基于脉冲的超宽带(ultra wide band,UWB)通信技术,又称为脉冲无线电(impulse radio,IR),它不采用载波,而是利用低占空因子、短持续期的非正弦波窄脉冲来发射和接收数据。UWB信号的带宽达几百MHz至几个GHz,能实现高速的数据传输,还可根据业务需要灵活调整,在传输距离、速率、功率之间互换。持续时间为纳秒级的脉冲使其具有良好的多径分辨能力,因而抗多径干扰能力强。由于无人机编队数量较少且队形相对稳定,UWB信号脉冲的占空比低,利用跳时码容易实现多址接入和通信,且多址干扰小。纳秒级的脉冲具有厘米级的测距精度,而且能将通信与测距、定位进行集成。UWB通信系统可实现全数字化、复杂度低,耗电量仅为常规无线通信系统的1%～10%。UWB信号的功率谱密度低,能很好地与其他无线通信系统共存,其具有良好的低检测概率和低截获概率特性,对军事通信来说是极其重要的[1,2]。综上所述,将IR-UWB技术应用在无人机之间的通信链路上是切实可行的。
UWB信号的带宽很宽,会受到各种干扰的威胁,对其抗干扰能力进行分析评估是UWB通信研究领域面临的重要现实问题和迫切需要解决的关键技术。文献[3,4]研究了UWB通信系统与WLAN、CDMA、GSM和GPS等民用无线通信系统的共存性。在战场环境下,UWB通信系统还会受到敌方各种人为的压制性干扰(如宽带噪声干扰、部分频带噪声干扰、音频干扰、脉冲干扰、扫频干扰)的威胁。文献[5]分析了UWB系统在音频干扰下的性能,并与直接序列扩频技术进行了比较,但其没有考虑到跳时码的影响。文献[6]针对跳时-脉位调制(time hopping-pulse position modulation,TH-PPM)超宽带体制,分析了不同参数的脉冲干扰信号对其的影响。文献[7,8]评估了TH-PPM-UWB抗部分频带干扰(partial band jamming,PBJ)的性能,但都没有考虑不同接收检测方式对系统性能的影响,也没有对受到不同带宽的PBJ时的抗干扰效果进行比较。针对PBJ这一常见的人为干扰样式,考虑多脉冲跳时码的影响,对不同的干扰带宽、接收端分别采用软判决和硬判决检测方式时的抗干扰性能进行了比较研究,利用Matlab软件进行了仿真并对结果进行了分析,为IR-UWB的实际应用提供了理论依据。
1 部分频带干扰信号模型
部分频带噪声干扰与宽带噪声干扰在本质上并无区别,只是将干扰功率(PJ)加在信号带宽(Ws)一部分上。令WJ为部分频带干扰带宽,则WJ<Ws,干扰因子r=WJ/Ws。侦察一个信号的存在和掌握该信号的相关参数是实施有效通信干扰的前提,在施放部分频带干扰之前假定已经获知UWB信号的带宽、中心频率、脉冲和跳时码参数等信息。令fJ为部分频带干扰的中心频率,fc为UWB信号的中心频率,分析时假设fJ=fc,这是符合战场实际和战术要求的。
PBJ可建模为一个均值为零的广义平稳高斯随机过程[8],双边功率谱密度为
由于人为干扰的功率通常远大于背景热噪声的功率,因此,在分析时忽略背景热噪声的影响。
2 TH-PPM-UWB通信系统模型
以最有代表性的跳时-脉位调制(TH-PPM)为例,仅研究单用户UWB通信方式,假定接收机采用相关接收且取得精确同步。则UWB信号的时域表达式为
式(2)中Ep为单脉冲携带的能量;W(t)是基本脉冲经过能量归一化之后的波形,其傅里叶变换为W(f);Tf为帧长;Cj为跳时码序列的第j个码元;Tc是由跳时码序列控制的单位发射脉冲时延;这里仅考虑二进制通信系统,所以dj∈{0,1};δ表示由dj控制的发射脉冲时延;“[]”表示取整运算,每Ns个脉冲表示一个比特[9]。
假定部分频带干扰仅对接收机产生影响,有用信号s(t)与部分频带干扰信号J(t)是统计独立的。忽略信号时延和幅度衰减的影响,接收机接收到的信号为
3 TH-PPM-UWB通信系统抗PBJ性能分析
为了提高系统性能,发射机可以通过增加每符号的脉冲数来引入冗余。用多个脉冲表示一个比特时,接收机可以采用两种检测方式:软判决(soft decision,SD)检测和硬判决(hard decision,HD)检测,下面分别探讨这两种检测方式下的抗干扰性能。
3.1 软判决检测方式
当采用软判决检测方式接收时,接收机将Ns个经过跳时码调制的脉冲形成的信号当作一个单独的多脉冲信号,接收信号与模板信号进行互相关。
由文献[7]可知,经相关器后有用信号槡,其中ρ为W(t)和W(t-δ)归一化的相关系数。经相关器后部分频带干扰信号的功率为
受到部分频带干扰,接收端采用软判决时TH-PPM-UWB系统误码率为
3.2 硬判决检测方式
当采用硬判决检测时,接收机首先对每个信号脉冲进行是“1”或“0”的独立判决,即Ns个脉冲要进行Ns次检测判决。单脉冲接收机是多脉冲接收机的一种特殊情况(即Ns=1),经过相关器后有用信号槡,部分频带干扰信号功率可将代入式(5)得到
受到部分频带干扰,采用单脉冲时系统的误码率为
单脉冲判决后将Ns次的判决结果送到合并器,最终的判决结果(即发送的是比特“1”还是比特“0”)根据大数判决定律得到:将超过门限的脉冲数目与低于门限的脉冲数目进行比较,大数对应的比特是最终的判决结果。
假设信道是无记忆的,即Ns个脉冲中每个脉冲受到干扰的事件是相互独立的,每一次脉冲判决的误码率是相同的,都是Pe。当Ns为奇数时,令k=2Ns+1,k个脉冲发生错判意味着个脉冲判决正确,这两个事件是积事件。因此,k个脉冲发生错判时系统的误码率为
Ns个脉冲中有k个脉冲发生错判、个脉冲判决正确的情况组合有CkNs种,如果k个以上(包括k个)的脉冲判决错误,则最终的信息比特判决肯定是错误的。因此,采用硬判决检测方式时,系统总的误码率为
当Ns为偶数时,有2Ns个以上的脉冲被误判时,最终判决的比特肯定是错误的。如果有2Ns个脉冲被误判时,最终判决的比特可能是正确的也可能是错误的,正确和错误的概率各占二分之一。同样分析可知,Ns为偶数时,系统总的误码率为
4 仿真实验及分析
4.1 仿真条件及参数
采用MATLAB软件进行仿真,UWB信号脉冲为二阶高斯波形,调制方式为典型的TH-PPM,各仿真参数如下:脉冲持续时间Tp=0.5 ns,Tf=50 ns,Tc=0.5 ns,δ=0.5 ns,-10 dB带宽Ws=4.2GHz,UWB信号平均发射功率为0 dBm,比特数为10 000,每比特脉冲数等于跳时序列的码长(即Ns=Np)。部分频带干扰由高斯白噪声通过一个中心频率为2.8 GHz的带通滤波器获得,即fJ=fc,部分频带干扰信号的功率由白噪声方差控制,干扰信号带宽通过带通滤波器调整。
4.2 仿真结果及分析
图1分别给出了部分频带干扰带宽WJ=1GHz和WJ=20 MHz时,接收端分别采用软判决检测和硬判决检测时的TH-PPM-UWB系统误码率性能与输入信干比(信号功率与干扰功率之比)之间关系的仿真曲线。其中横坐标为输入信干比,用SIR表示,单位为d B;纵坐标为误码率,用BER表示。
从图1可以看出,使用多脉冲跳时码调制后,TH-PPM-UWB系统抗部分频带干扰性能有了显著提高,但是软判决检测接收和硬判决检测接收方式的改善程度不同,无论是WJ=20 MHz还是WJ=1GHz,软判决检测的性能都要优于硬判决检测的性能,这与加性高斯白噪声条件下的结果相同。硬判决的性能主要受干扰的总数目影响,其性能的下降是由于判决单个脉冲时干扰的存在而产生的;而软判决性能主要受接收机在整个比特时间内获得的平均干扰信号功率的影响。在干扰信号功率变化不大时,软判决的性能优于硬判决,因此在PBJ存在条件下,软判决的性能优于硬判决。如果在战场环境下受到部分频带干扰,接收机应采用软判决检测接收方式,以取得较好的抗干扰效果。
从图1还可以清楚地看出,当信干比相同时(即PJ相同时),干扰因子r越小、干扰信号带宽越小时,TH-PPM-UWB系统误码率性能越差,也就是说接收机抗干扰效果越差。但是这个结果是在fc的前提下得到的,fJ的偏差可能会导致干扰效果的变化,这是下一步要另行研究的。从己方接收机来说,要降低信号谱线峰值以提高抗侦察能力,还要使信号载频有一定的变化,使敌方难以跟踪瞄准。
5 结束语
UWB无线电是无线通信领域出现的一种具有广阔应用前景的新技术,其中有很多关键技术问题需要解决,如信道估计、脉冲检测、时间同步、脉冲波形失真等。本文对TH-PPM-UWB通信系统受部分频带干扰时的误码率性能进行了研究,重点对不同的检测接收方式、干扰带宽不同时的系统性能进行了分析比较,并得出了一些有益的结论,对将来超宽带通信系统的实践应用具有一定的理论指导意义。
摘要：由于超宽带通信技术的众多优点,将其应用在无人飞行器编队通信链路上是一个可行的选择。建立了部分频带干扰模型,通过理论分析和计算机仿真,对不同带宽的干扰信号、接收机采用不同的接收检测方式时,跳时-脉位调制超宽带通信系统的抗干扰性能进行了评估。分析比较发现采用软判决接收方式时的抗干扰效果优于硬判决接收方式;在干扰功率相同的情况下,干扰信号带宽越小系统性能越差。这些有益的研究结果为超宽带通信链路的参数选择提供了重要依据。
关键词：超宽带,MATLAB仿真,部分频带干扰,软判决,硬判决
参考文献
[1]阚春荣.UWB技术在军事通信中的应用.军事通信技术,2005;26(3):28—32
[2]Zeng Liaoyuan,Sean McGrath,Eduardo Cano.Multiuser Spectral Efficiency Maximization in Cognitive Ultra Wideband Radio Systems.2010Sixth Advanced International Conference on Telecommunications.Spain:IEEE,2010;118—123
[3]Manzi G,Feliziani M,and Beeckman P A,et a1.Coexistence between ultra-wideband radio and narrow-band wireless LAN communication systems.IEEE Transactions On Electromagnetic Compatibility,2009;51(2):382—390
[4]Chiani M,Giorgetti A.Coexistence between UWB and narrow-band wireless communication systems.Proceedings of the IEEE,2009;97(2):231—254
[5]Li Zhao.Performance of ultra-wideband communications in the presence of interference.IEEE Journal on selected areas in communications,2002;20(9):1684—1691
[6]覃振江,王昌宝.脉冲干扰对超宽带通信干扰效果分析研究.舰船电子工程,2011;31(10):69—72
[7]黄志清,王卫东.超宽带通信技术抗部分频带干扰性能研究.通信技术,2009;42(19):40—42
[8]Si Chen.Performance of Impulse Radio and Direct-sequence Impulse Radio in the Presence of Interference.IEEE International Conference on Communication Technology,2006;2:746—750
无人飞行器 篇9
近年来,随着新型材料以及飞行控制技术的进步,小型四旋翼低空无人飞行器得到了迅速发展,在军事和民用领域具有广阔的应用前景。和传统的直升机相比,它有着自身的优势:当前后两个旋翼逆时针旋转,而左右两侧的旋翼顺时针旋转时,则尾桨控制和旋翼倾斜问题可以被忽略[1]。但由于小型四旋翼低空飞行器是一个具有4个输入力,同时却有6个输出的欠驱动系统,具有多变量、非线性等特性,这使得飞行控制系统的设计变得比较困难。
目前的飞行器控制系统多采用单片机来完成姿态控制,存在硬件资源有限、运算和处理速度慢等问题。本研究选用32位ARM处理器,并且可以内嵌实时操作系统,和传统的控制方式相比,外设资源更丰富,性能更好。本研究从小型四旋翼飞行器的机型特点和实际需要出发,结合ARM控制器的优越性能,探讨小型四旋翼飞行器控制系统的硬、软件实现方案。
1 系统工作原理和结构框架
1.1 四旋翼飞行器工作原理
四旋翼飞行器上下的垂直运动是通过4个旋翼同时增速(减速)得到的,当4个旋翼的升力之和等于飞行器的自重时,飞行器便保持悬停。水平面内的前后运动是在旋翼1、2分别增速(减速)的同时,旋翼3、4减速(增速),这样机身就会发生向后或者向前的倾斜,得到水平面内的前后运动;俯仰运动是通过旋翼1、3速度不变,旋翼2增速(减速)的同时,旋翼4减速(增速)来实现的。相似地可以得到滚转运动:即旋翼1增速(减速),同时旋翼3减速(增速)。
通过组合以上的基本运动,可以实现小型四旋翼飞行器的各种复杂运动[2]。四旋翼飞行器的结构俯视图如图1所示。
1.2 控制系统总体框架
小型四旋翼飞行器的飞行控制系统通常由传感器测量装置、主控制器和驱动电机等部分组成。传感器用来测量四旋翼飞行器的飞行状态信息,主控制器根据这些传感器反馈回来的状态信息、预先给定的状态和现场无线输入的控制指令信息进行处理,使控制系统根据控制算法处理结果输出4路PWM信号控制电机转速,以实现自动调节旋转力矩来稳定飞行姿态。整个四旋翼飞行器控制系统主要分为机载控制部分和地面控制部分。机载部分系统结构框图如图2所示。
2 系统硬件设计
本研究采用ST公司生产的STM32F103RCT6作为系统的主处理器。STM32系列基于专为要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式应用而设计的ARM Cortex-M3内核。它主要负责采集传感器检测到的姿态角速率(俯仰角速率、横滚角速率和偏航角速率)、三轴的线加速度和航向信息并实时解算;根据检测到的飞行信息,结合既定的控制方案,计算输出控制量;通过无线通信模块与地面进行数据的传输,实现接收控制命令改变飞行状态和下传飞行状态数据。
2.1 传感器模块
小型四旋翼低空飞行器在某个时刻的状态由6个物理量来描述,包括在三维坐标中的3个位置量和沿3个轴的姿态量(即称为六自由度)。惯性传感器有两种类型:陀螺仪和加速度计。
陀螺仪起到测量四旋翼飞行器的角速率的作用,在惯性导航系统中非常重要。因此,精度和稳定性可作为陀螺仪选型的重要原则。本研究选用ADI公司的角速率陀螺仪ADXRS150,负责采集四旋翼飞行器3个方向的角速率(俯仰角速率、横滚角速率、偏航角速率)。该陀螺测量精度达到150 °/s,其工作电压为5 V。
加速度传感器起到感应飞行器3个轴向的线加速度的作用。本研究的应用环境主要是室外的低速运动场合,因此每个轴向的加速度并不大。根据这个选型原则,本研究选用Kionix公司体积小、功耗低、高灵敏度的三轴加速度传感器KXM52-1050。它是一款数字式传感器,灵敏度为660 mV/g。
在惯性导航算法中,导航参数会随着传感器的测量误差积累而发散,因而不能满足长时间自主飞行的需要,故选用霍尼韦尔公司的三轴式数字罗盘HMR3300对惯性导航系统进行姿态校准。它的工作电压是5 V,采用UART协议通信,经过转换电路之后可以和STM32的SCI口通信,并且自带模数转换,以便与微处理器直接通信。
2.2 电机控制模块
本研究采用PWM控制直流电机的转速。小型四旋翼低空飞行器的动力系统由电机、减速齿轮和旋翼组成。电机选择1225FE33型号的铁心电机。直流电机是功率器件,需要很大的驱动电流,控制器的驱动能力有限,因此必须选用专门的驱动芯片[3]。本研究采用LG生产的集成芯片LG9110来控制和驱动直流电机,该芯片两个输出端能直接驱动电机的正反向运动,它具有较大的电流驱动能力,每通道能通过750 mA~800 mA的持续电流;同时它具有较低的输出饱和压降,使它在实现驱动直流电机的功能上更安全可靠。
由于飞行器的电机在转动过程中会产生比较大的冲击电流,为了提高飞行控制系统的可靠性,本研究需要对STM32输出的PWM信号进行隔离。飞行器选用锂电池供电,光电耦合器进行信号隔离时,工作电流大,锂电池供电能力无法满足要求。ADI公司的iCoupler系列数字隔离器将CMOS与芯片级变压器技术相结合,大大降低了电路板的体积和功耗。电机隔离电路如图3所示,数字隔离器ADuMl400实现了4路PWM信号的隔离。
2.3 无线通信模块
无线通信模块是四旋翼无人飞行器和地面控制中心之间通信的桥梁。本研究要求的无线传输距离为100 m左右,故选用Nordic VLSI公司推出的单片射频收发器芯片nRF905[4]。nRF905芯片工作在433 MHz的ISM频段,工作电压为3.3 V,使用SPI接口与STM32通信,配置和使用非常方便。此外,nRF905芯片功耗非常低,以-10 dBm的输出功率发射时电流只有11 mA,接收信号时电流只有12.5 mA,在100 m之内传输稳定可靠。具体的硬件连接如图4所示。
3 软件设计
3.1 总体设计
四旋翼飞行器控制系统软件设计的总体目标是启动飞行控制系统的各个功能模块并使之正常工作,按照既定规划实现稳定飞行。由于四旋翼飞行器为六自由度的系统,而其控制量只有4个,这就意味着被控量之间存在耦合关系[5],所设计的控制算法应能够对这种欠驱动系统足够有效,用4个控制量对3个角位移量和3个线位移量进行稳态控制。本研究在得到四旋翼飞行器的动力学方程之后,适当地选取控制量,运用控制理论中经典的PID 控制算法对飞行器系统进行控制。
飞行控制系统的中央控制模块主要完成系统初始化、系统自检、解算传感器数据、导航信息解算、执行控制算法、计算并输出控制量等功能。控制模块选择使用μC/OS-II管理控制任务的调度。μC/OS-II是一个专为嵌入式应用设计、基于优先级调度的抢占式实时操作系统内核,它包含了任务调度、任务管理、时间管理/任务间通信与同步等功能。各任务之间通过信号量和消息队列实现相互间的数据交换和同步[6]。系统启动流程如图5所示。
3.2 数据采集模块
STM32内嵌2个12位的模拟/数字转换器(ADC),每个ADC有多达16个外部通道。传感器模块中,罗盘的输出为数字信号,陀螺仪和加速度传感器的输出信号为模拟电压信号,需要进行模/数转换变为数字量,才能进行下一步处理。模/数转换的核心器件是A/D转换器,为了不增加系统开销,于是采用了STM32的12位A/D转换器。
角速率陀螺仪、加速度计经过模/数转换提取飞行器角速度和线加速度信息;数字罗盘HMR3300通过UART串口通信提取航向信息。ADC模块工作在同步采样模式下,可以同时采样角速率和线加速度,采样结果存放在ADC的结果寄存器中。ADC采样模块程序流程图如图6所示。
3.3 电机控制模块
STM32的TIMx模块可以产生3组6路PWM,同时每组2路PWM为互补。STM32通过解算飞行姿态信息和路径规划输出PWM控制量协调控制4个电机,实现稳定飞行。为使STM32的通用定时器TIMx产生PWM输出,本研究通过设置以下3个寄存器来控制[7]。捕获/比较模式寄存器(TIMx_CCMR1/2),其模式设置位OCxM由3位组成,若使用PWM模式,则必须设置为110/111。这两种PWM模式的区别是输出电平的极性相反;捕获/比较使能寄存器(TIMx_CCER),该寄存器控制着各个输入输出通道的开关;捕获/比较寄存器(TIMx_CCR1~4),该寄存器总共有4个,对应4个输出通道CH1~4,以TIMx_CCR1为例,在输出模式下,该寄存器的值与计数器TIMx_CNT的值比较,根据比较结果产生相应动作。利用这点,本研究通过修改这个寄存器的值,就可以控制PWM的输出脉宽,从而达到控制电机的转速的目的。
3.4 无线通信模块
无线通信模块实现上位机对四旋翼飞行器的飞行控制和跟踪定位,实时与地面控制系统交换信息,接收地面控制系统传输的飞行控制指令信号、向地面控制系统发送当前无人机实时飞行和姿态数据等相应信息,以完成指定的飞行控制任务。ARM通过SPI接口与nRF905通信,将ROM中的数据发送出去。ARM控制nRF905发送数据,主要分为两个步骤:一是ARM先向nRF905写入数据,二是控制nRF905发送数据[8]。在执行过程中,本研究先写入发送数据的目标地址再写入数据,然后再控制nRF905发送地址和数据。nRF905发送模式会自动产生字头和CRC校验码,当发送过程完成后,数据准备好引脚通知ARM数据发送完毕。nRF905的发送和接收流程如图7~8所示。
4 结束语
本研究给出了基于ARM处理器的四旋翼无人飞行器控制系统的软、硬件设计方法,改变了传统以单片机为主的控制方式。该系统能满足飞行器起飞及悬停、降落等飞行姿态的控制要求,适合在近地面环境中执行监视、侦查、航拍等任务,具有广阔的军事和民用前景。本研究的创新点包括:①采用ARM9作为系统的核心控制器,为系统提供了丰富的资源,并为以后的功能扩展提供了空间。②采用数字隔离器ADuMl400实现了4路PWM信号的隔离,有助于提高飞行控制系统的可靠性。
参考文献
[1]BOUABDALLAH S,MURRIERI P,SIEGWART R.Designand control of an indoor micro quadrotor[J].Proceedings.ICRA'04.New Orleans:[s.n.],2004:4393—4398.
[2]杨明志,王敏.四旋翼微型飞行器控制系统设计[J].计算机测量与控制,2008,16(4):485-490.
[3]陈伯时.电力拖动自动控制系统[M].北京:机械工业出版社,2005.
[4]陈茜茜.微型无线图像传输系统的设计[D].成都:电子科技大学信息与通信工程学院,2005.
[5]KHALLIL H.Nonlinear systems[M].3rd ed.Springer Press,2003.
[6]王永虹,徐炜,郝立平.STM32系列ARM Cortex-M3微控制器原理与实践[M].北京:北京航空航天大学出版社,2008.
[7]刘惠英,范宝山.基于STM32的多步进电机控制系统研究[J].测控技术,2010,29(6):54-57.
无人飞行器 篇10
实现任务的基础是无人飞行器。飞行器是系统工作平台, 是执行任务与传输信息的基础。对于飞行器的研究主要分为硬件架构与软件架构。
1) 硬件架构主要分为飞行控制器与执行机构。飞行控制器是飞行器的“大脑”, 是飞行器的决策中心, 它控制飞行器的所有动作, 其参数影响着飞行器整体指标, 是飞行器研究的重点领域。现阶段的研究主要使用模块化思想, 将硬件架构按照功能划分为数个功能模块, 即方便调试也方便日后功能扩展。主要功能模块分为微处理器模块、GPS定位模块、姿态传感器部分和相关的执行机构。执行装置包括电调, 电机和机架, 与飞行控制器一起公共构成飞行器整体。
2) 软件架构以快速数据处理为目标, “内核+DSP”渐成为系统架构主流。本着方便日后扩展与方便系统的原则, 使用实时操作系统 (RTOS) 或其他嵌入式操作系统。国内对飞行控制器软件架构的研究大多为开源方式, 分工明确相互借鉴相互参考。飞行器的数据传输工作分为遥控指令传输和实时数据传输, 都以无线方式进行传输, 分别对应遥控器传输的命令和飞行器飞行过程中实时传输的数据, 具有实时性强和数据量大两个特点, 实时操作系统和DSP处理器来完成上述要求。实时操作系统 (RTOS) 在接收到数据时, 能够接受并以足够快的速度予以处理, 其处理的结果又能在规定的时间之内来控制生产过程或对处理系统做出快速响应, 调度一切可利用的资源完成实时任务, 而且方便任务管理和维护。DSP处理器非常适宜浮点数运算, 在一个指令周期内能完成一条复杂的数学运算公式, 处理速度是一般处理器的数倍。
随着旋翼飞行器的普及, 旋翼飞行器各种器件质量与功能得到全面的提升, 相对的硬件成本也慢慢下降, PID控制算法, 模糊控制理论和其他先进控制技术也层出不穷, 近年来的飞行控制系统逐步走向开源, 不仅是企业和科研机构, 全世界各个爱好者也参与到开源系统的设计中, 研究主要集中在飞行器的结构、飞行控制系统及续航能力方面。
2 无人机循迹关键技术
循迹的工作流程为:飞行器首先读取GPS定位数据, 然后依据目标的位置信息, 打开CCD摄像机读取图像信息, 将图像信息处理后判断是否为目标路径, 若为数据库中的目标路径则按照此路径前进, 直到抵达目标终点。中途可能遇见目标路径丢失情况, 此时飞行器自动寻找路径直到寻找到目标路径为止, 出现意外故障则执行返航。
2.1 无人机导航定位
飞行器导航定位是无人机循迹的关键。所谓导航就是指移动机器人在获取各种道路定位信息后能沿着制定线路行走, 其中包括直行、停止和拐弯等, 目标就是在没有人工干预的情况下使其有目的地行走并完成特定任务进行特定操作。目前导航定位的主要方法有:磁导航、GPS导航、激光导航以及惯性导航等。
自主无人机的目标是利用机器视觉、人工智能和稳定的无线通信技术等, 进行完全自主的、有规律的设备巡视检查, 从而提高其自动化程度和工作效率, 真正起到减员增效的作用。鉴于此, 具有循迹能力的无人机应具备图像采集分析功能, 飞行器携带搭载在云台上可见光CCD和拾音器等检测设备, 在无人或少人监控的条件下完成任务。其中可见光CCD主要用于采集可见光图像, 进而进行图像采集工作。
2.2 无人机路径识别
目前移动机器人循迹视觉导航的方案大体可分为轨线引导、路边线提取和路面区域分割三种: (1) 轨线引导:预先规划好机器人所要行走的路线, 使机器人沿线行走, 此法简单且能适应各种路面环境, 无需其他参照物。 (2) 路边线提取:提取道路的两个边缘线, 求出两边缘线的交点, 两边缘线的角平分线就是无人机所应该行走的路线, 但道路边缘不明显的情况以及弧度较大的路段将对导航产生很大影响。 (3) 路面区域分割:一般需路面亮度相对较大, 且采集图像的中央下半部分为道路, 因此这种方法可以采用链码跟踪法将图像分割成路和非路两部分, 然后让机器人始终在路中央运动。机器视觉就是指用摄像机和计算机代替人的眼睛和大脑对目标进行识别、跟踪和测量, 经过图像处理成为更适合传送给仪器检测的图像, 机器视觉系统一般以计算机为中心, 主要由视觉传感器、高速图像采集系统、专用图像处理系统等模块组成。基于CCD摄像头提取路径信息, 通过数据库对比与控制策略决策已经成为当今循迹机器人工作流程的主流方案。
3 结语
自主无人飞行器循迹依旧是一个有待深入研究的课题, 相应的理论与实践工作还处于初步阶段。近年来飞行器越来越注重相应的控制算法研究, 考虑到飞行器循迹涉及到的地形约束, 油量存储和电磁干扰等因素, 航迹算法分为最优式和启发式算法, 应用较多的为A-Star算法、遗传算法、神经网络和PRM方法等。
近年来, 在无人飞行器系统和循迹技术的研究中提出运动规划的概念, 对飞行器在飞行时的循迹能力提出了更高要求, 相关方案也逐步走向深入。本文介绍的自主飞行系统与循迹关键技术只是对无数相关研究的总结和概括, 应用中应该依据实际情况进行调整, 相关控制参数也要进一步优化。
参考文献
[1]徐贵力, 倪立学, 程月华.基于合作目标和视觉的无人飞行器全天候自动着陆导引关键技术[J].航空学报, 2008, 29 (2) :437-442