人机控制器

2024-07-14

人机控制器（精选十篇）

人机控制器篇1

随着科技的不断发展,各个行业领域得到了很大的发展,特别是在新型材料领域,UV新材料的不断发展提高,光固化应用领域对紫外光源提出了新的要求,特别是当大功率紫外LED研制出来之后,紫外LED得到了有效的发展应用。基于紫外LED照射器控制平台发展成为一种趋势, 充分利用紫外LED,不仅可以加强电气电路的稳定性,提高利用率,还可以实现节能、高效控制等优势,因此,基于紫外LED的诸多优势,进行紫外LED控制人机交互界面设计的需求日益增多。

1紫外LED控制器人机交互

紫外LED控制器人机交互设计主要是通过液晶显示模块,实现人机交互,通过人机交互,用户可以获取到有效信息, 更好的进行产品应用与开发。紫外LED控制器设计模块需要实现液晶显示模块、键盘操作,同时为了提高液晶显示的丰富性,加入万年历显示功能、环境温度测量模块,为了保证系统的正常运行,需要具备电源供应模块以及程序存储模块,最后,考虑到控制器需要与其他设备进行相互通信,还需要加入数据通信模块,基于此,实现较为完整的紫外LED控制器设计模块。

2紫外LED控制器人机交互软件设计

2.1万年历软件设计

在进行万年历设计时,需要结合处理器进行定时器初始值的设置,保证时钟脉冲可以产生1s定时时间,这样就可以保证,当时间到达时可以进入到中断处理函数中,之后在中断处理函数进行相应的处理设置,从而实现时间的连续操作。具体程序流程图如1.

万年历操作主要包括年、月、日、时、分、秒,其中最小时间单位为秒,时刻(时、分、秒)具体处理方法为:

(1)、在进行时间计数时,需要考虑时分秒操作,即将时、分、秒的计数变量初始化为0。启动定时器后,进行按秒计时操作,当定时器时间到时,计数变量sec_ count达到60时,此时1分钟到达,进入中断函数,对sec_count置零,同时对分min_ count变量加1操作,之后再进行定时器定时处理,实现连续循环操作;

(2)、在进行年份操作时,需要做好闰年的判断,闰年的判断方法是能被4整除并且不能被100整除的年份或者能被400整除的年份,满足之一的年份即为闰年。

示例程序:

2.2 LCD液晶显示软件设计

为了实现良好的人机交互操作,需要进行液晶显示操作,通过液晶显示,用户可以获取到所需信息。在进行LCD液晶显示时,采用LCD12864操作。软件设计时需要对液晶进行初始化操作,具体步骤包括:清零、地址置位以及计数器清零、游标初始化操作等操作。同时在进行液晶显示时,需要做好时序图的处理操作,只有采用正确的时序图,才可以更好的进行读写操作,LCD12864的时序图如图2所示。

2.3键盘按键操作设计

在进行键盘按键操作方面,需要考虑应用场景的不同,键盘按键主要分为独立式按键以及矩阵式按键,应用场合复杂时,可以选用矩阵式按键;而如果应用场合较为简单,则可以选择独立式按键,易于设计操作,软件编程,键盘硬件电路图如图3所示。

3结束语

无人机自主控制发展趋势研究篇2

无人机自主控制发展趋势研究

根据无人机自主控制的定义与内涵,将无人机自主控制关键技术划分为态势感知技术、规划与协同技术、自主决策技术和执行任务技术,并针对这四项关键技术发展所涉及内容分别进行了层级研究,初步给出了我国无人机自主控制层级发展规划和层级发展趋势图,可以为我国建立无人机自主控制能力标准或者开展无人机自主控制研究项目提供参考.

作者：龚松波 GONG Song-bo 作者单位：沈阳飞机设计研究所,辽宁,沈阳,110035刊名：飞机设计英文刊名：AIRCRAFT DESIGN年，卷(期)：200929(6)分类号：V279 V249.1关键词：无人机自主控制自主控制层级

人机控制器篇3

关键词：船舶控制器工业设计人机工程学

1、引言

科技的进步与经济的飞速发展促使人类空前关注产品设计的人性化，如何使产品满足人们对“技术美”的直观追求并能够更好的为人所使用成为当今关注的热门议题。合乎美学质量的产品能够提升其附加值，增强市场竞争力已变的毋庸置疑。作为船用电子设备，其外观的设计要素与结构中的人机要素也越来越受到重视。船用控制器的发展历程从车钟的发展中可见一斑。船舶车钟是驾驶台与机舱联系用车的一种最重要手段。船舶车钟一般有前进一、前进二、前进三、前进四、前进五、停车、后退一、后退二、后退三等几种档位。如果驾驶台想用前进一，就把车钟推到前进一位置向机舱发出用车指令，机舱下面就会听到，轮机员把车钟推到同样的位置铃声才会停止，机舱立即执行用车指令，把主机开到前进一。每次变更用车指令，驾驶室和机舱控制室都需要做记录，专门有车钟记录本。随着时代发展，技术的变更，2000年以后造的船舶大多车钟的变换会被计算机直接记录了，样子也有了较大的变更。更多的科技融入设计当中，如何使机器更好的为人所用变的愈加重要，这就不得不提到人机工程学。所谓人机工程学，亦即是应用人体测量学、人体力学、劳动生理学、劳动心理学等学科的研究方法。人机工程学的显著特点是，基于人、机、环境三个要素本身特性的基础上，不单纯着眼于个别要素的优良与否，而是将所设计的物和使用物的人以及物所处的环境作为一个整体系统来研究。德国Sturlgart设计中心评选优良产品时在人机工程上设定标准为：

1、产品与人体的尺寸、形状及用力是否配合；

2、产品是否顺手和方便使用；

3、是否能防止使用者操作时意外的伤害和错用时产生的危险；

4、各操作单元是否实用；各元件在安置上能否使其意义毫无疑问的被辨认；

5、产品是否便于清洗、保养及维修。

站在使用者的角度，产品的视觉效果通常能够决定购买行为的成立与否。但作为一名设计师应该更加关注产品的长期使用效果及其舒适性，尤其是避免伤害与危险的防治更需重视。

2、船用控制器设计概述

控制器是按照预定顺序，通过改变控制电路来达到预定功能的主控装置。许多产品上镶嵌着各式各样的控制器，它们不仅代言了产品的不同功能，亦同时映射了人对产品的操作方式与使用程序。控制器是操作媒介，人机工程学广泛应用于控制器设计目的在于使操控更加符合人的使用习惯。控制器的分类方法繁多，常见小型手动控制器分类标准如表1所示。

随着世界经济的不断进步，航运业的发展也十分迅速，海上航行船舶的类型、数量都发生着巨大变化。同时对船舶运动控制的要求也在日益增高，针对船舶运动控制的各种算法也是层出不穷，随着船舶大型化和船员数量越来越少，船舶的操作控制比以往更加困难和复杂。

工业设计向船舶电子设备的逐渐渗透使得结构设计人员面临着新的挑战。他们不仅需要通晓结构、材料、工艺等方面的专业知识，同时也要具备基本的美学知识，掌握工业设计现代表现手法和设计思路。结构工程师一般不具备专门的设计教育背景，只靠“感觉创新”很难将工业设计付诸于产品。这种挑战随着工业设计专业人员向船舶企业的渗透而逐步得到改观。

随着设计人员工业设计水平的不断提高，船舶电子设备的面貌将迈上崭新的台阶。怎样站在更高的层面，在设计过程中结合产品自身结构、性能特点，运用工业设计的思想和人机工程学的理念，使设计不断趋于人机和谐与突破创新，这是非常值得深究的课题。船舶电子设备与其他工业产品相比有其自身特点，结构设计人员在造型方面有自身的局限性，单从功能出发很难设计出人性化的产品，这就需要工业设计师的创造性思维来支撑设计的环节，他们需要与结构设计师在每个设计环节缜密配合，进而寻求功能结构与外观设计的最优解。

船舶车钟是驾驶台与机舱联系用车的一种最重要手段，船用控制器独特的操纵环境、特殊的使用功能决定了其独特的外观性能。一般在封闭式驾驶室和集控式驾驶室使用手柄式车钟。机舱和开放式驾驶室两翼可以使用按键式车钟。一般复合车钟设计需满足前进、后退、空车、加速、减速、操舵转向等功能

船舱特殊的操纵环境会对控制器的可靠性不可避免地产生影响，船用控制器大部分时间都处在振动、冲击、颠震、倾斜和摇摆等机械环境当中，特殊的环境决定了控制器需要进行有效地抗震缓冲设计。潮湿、盐雾和霉菌是船舶电子设备最常遇到的破坏性环境条件，这三方面的防护设计称为三防设计，设计人员必须根据控制器所处的舱室确定其防护等级，选择三防性能优良的材料和表面处理方法，确定防潮防凝露的措施。夜间航行还需足够的光补给，通常在控制器上使用夜光材质按钮以及利用发光二极管提供照明。除此之外，还必须采取合理的热交换方式，进行相关的电磁兼容设计。综上所述，特殊的船舱环境要求控制器必须进行相关的环境适应性设计。

以上特殊因素是在一般工业设计过程中考虑不到的，所以通常的工业设计方法对于特殊产品设计只起一个“方法论”的指导作用，具体的深入设计还需结合专业背景进一步深入探索。

3、某船用复合车钟设计

3.1设计概述

该船用复合车钟可以为推进动力装置的自动控制、主机遥控操纵系统提供可靠的控制信号和开关量信号及传递车令应答联络的功能。兼具新颖脱俗造型，可靠稳定的定位结构和传动系统，符合人机工程学要求的操控手感等特点。

nlc202309022153

车钟横纵操纵角度均为120度；纵向有“前进、停、后退”范围内九个定位档；水平面同样有“左舵、直行、右舵”范围内九个定位档。透光刻度面板，指针指示，可满足夜航的操作要求。

考虑到船舶夜间行驶的特殊条件，每个按钮都包含自己的发光二极管。这就确保了操作人员在任何状态下都能够在视觉上确认按钮的位置，包括低光条件、夜间条件等特殊环境。

特殊的结构使模块化思路与标准化设计理念深入设计。能够应用在不同操作平台，根据实际需求增减如按钮、台面、屏幕等模块，如图1所示。

3.2智能操控面板设计

先进易使用的多功能控制器应该能处理系统中的所有功能，及时提供操作所必需的信息及易于理解的图形信息。优良的操作界面使得操作变的简便而有效率，操作员可以通过屏幕获取相关的帮助和建议。复合车钟搭载的智能操控面板引用了“信息图形”的理念，界面设计如图2所示。“信息图形”又称为信息图，是指数据、信息或知识的可视化表现形式。信息图形主要应用于具要有清楚准确的解释或表达甚为复杂且大量的信息源，例如在各式各样的文件档案上、各个地图及标志、新闻或教程文件，表现出的设计是化繁为简。这就使操作显示更为直观，凸显操作的人性化，提高操作的可识别性。界面图形通过几何形状穿插组合，风格简明又不失严谨。中规中矩的配色与图形可较好的搭配车钟的“气质”。智能面板边缘呼应车钟外轮廓形状，使设计浑然一体。

3.3“手型”操作手柄设计

机械制造背景下的产品设计通常将手与手柄接触的位置设计为圆柱形或其他规则几何形式，如图4所示，有些易引发操作疲劳感。

为增加操控舒适度，抓握手柄打破通常的规则几何形状，模仿手指的弧线蜿蜒而生，尽可能贴合手指与掌面，带来舒适的操控感，将人机关怀体现于此，如图5所示。设计造型亦轻盈流动，很容易产生亲切感，为海上枯燥的工作带来几分情趣。

3.4标准化设计思想的应用

标准模块化设计思想使用了分离式处理单元，单元被放置在方便、利于降低布线成本的地方，确保了可靠的操作与平稳的控制。

标准模块化设计使其易于满足客户的个性化需求。根据客户需要，增设调光旋钮，蜂鸣器以及开关量、数字量或其他元器件。

3.5开放式的系统构造

本设计使用开放式的系统构造，可与其他设备端口方便对接，车钟控制单元和操作面板可按需自由组合安装于不同操控台面；并可根据不同的材料、器件、实验测试等标准来划分不同的用户等级。

3.6模式功能的配置

智能操控面板可基于多种控制模式：自动模式，恶劣海况模式，恒定燃油模式，设定模式等。船舶性能监控系统的设计可以协助寻找船舶的最佳速度、吃水和纵横倾、航线和主辅机模式，利于天气的规划，避免不利的航行条件并最大程度地减少油耗。

4、船舶控制器设计规律总结与特殊产品设计研究方法探究

本文旨在通过某船舶复合车钟的设计提出一种特殊用途产品的设计思路，以期达到为相关产品提供设计借鉴的目的。笔者将“工业设计”作为造型设计的法则或纲领，但各行各业的产品千差万别，适用环境各异，操作方法不尽相同，如何使工业设计在应用于特殊产品造型设计时不过分依赖“感觉”而获得更有效的设计思路与途径，文章结尾结合这款设计作出如下探讨。

4.1传统制造企业需融入专门的“设计血液”

提高设计效率、避免盲目设计的最好方法就是从阅读任务书开始，根据任务书的要求，在满足舰载设备技术规范的前提下，利用人机工程学、工业设计、美学等手段创作出外型美观、经济、性能优良的设备结构。特别要说明的是在一般制造业为主的企业这项工作基本都主要取决于结构工程师的设计构思及创造性。但结构工程师多为机械设计出身，一般缺乏专门的设计教育背景，只靠“感觉创新”很难将工业设计付诸于产品。这种瓶颈随着工业设计专门人员向专业制造企业的渗透而逐步得到改观。

4.2具体设计方法探讨

首先要找出设计目标的关键词，如船用产品可想到简洁、挺拔、威严、庄重、朴素、淡雅等。脑海中对设计目标的“大方向”进行定位，这样就为设计赋予了“定义域”，才能确保之后的设计工作不会偏离主题。

然后依据美学法则做出设备形态的总体构思。适宜的比例与尺度是造型的基础框架，并要力求总体外形上的匀称与和谐。大小尺寸、各部分比例、结构模式、材质色彩、操作方法、操控体验感受应该同时考虑，多管齐下，而不应“分步进行”。这种整体设计法则有利于最终设计效果画面感的提前展现。画面感的展现对于设计的深入推敲起到事半功倍的效果。从方案设计阶段就对设备的外观模式进行通盘的规划，是塑造优良造型的前提，也是造型过程中从整体到细节，由外及里的开端。

接着应重点把握好操控部件及面板的布局性设计，包括元器件的排布要求，面板上的显示区和操作台面的整体规划。显示面板是舰员观察与操控最频繁的部位，也是人机界面的核心，其好坏直接影响到造型的整体效果。色彩是最能刺激人的心理情绪的直观因素之一，因此色彩与材质机理的合理选择可起到“画龙点睛”的效果。由于特殊产品的用色规则一般限制较为严格，应严格遵循于有关标准之规定，如船用产品通常以中绿灰色、海灰色、船绿色、黑色等为主选，但材质选用得当、机理处理创新也可创造出创意优良的设计。

很多设计都谈人机工程学，但将其真正付诸于设计却不易，笔者认为最直接的付诸方式就是利用“机”（设备）的独特因素围绕人性化设计理念来采取一系列技术措施，并始终将人的因素作为设计的落脚点与支撑。例如将操作最频繁的控制器设置在离手部最近处，以便长时间操作而不致产生手臂肌肉疲劳这种有层次感的布局可以减轻舰员产生生理疲劳，能提高人机工效。“逻辑性”在特殊产品设计中至关重要，能否把握好感性与理性之间的“度”是设计是否优良的关键。

最后就是评估与设计优化阶段，特殊产品的设计优化阶段尤为重要，通过进行专业实验获得的数据来检测产品性能指标，尺度要求与人机功效等，然后进行设计优化与改进。随着计算机技术的发展，还可利用各种设计软件进行真实状况的模拟与仿真，从而及早而方便地从人机要素方面对造型进行修改与优化，既节约成本，亦效果显著。

造型设计属于“工业设计”的范畴。特殊产品的造型设计并不是孤立单一的工业设计。以船舶设计为例，它是从满足环境要求的前提出发，在设计过程中必须将造型设计，热设计，抗振动冲击，电磁兼容性，三防设计等设计项目予以综合分析、决策并力求协同的设计。所以特殊产品的设计是个“杂家”，需在特殊环境中考虑特殊因素才能达到特殊的设计目的。

5、结语

工业设计为特殊产品的设计过程提供了感性的指导，人机工程学为设计的可行性提供了理性的依据。技术背景下的特殊产品设计，往往会缺乏感性认识使设计重心过于偏向理性。感性趋于形式，理性趋于功能，感性与理性之间度的把握才是设计取得突破的关键。这就使得人机工程学视野下的工业设计方法探究变的尤为重要。

探究之道在于构筑解读形式与功能的分析思路，形成感性与理性叠加的设计方法，如此方能探寻特殊产品设计发展的航向。另外，还需要一系列非设计因子的支持，如完善的制度与有效的管理等。同时，针对产品的特殊性，应以结构功能为基础，探索基于人机工程学的工业设计方向与途径，只有如此，人机工程学视野下的特殊产品设计才有可能真正与工业设计交融并取得创新与发展。

小型无人机航迹控制系统探讨篇4

航迹控制系统是使无人机按预定航线飞行, 实现全自动飞行的自动控制系统, 其实现平台主要是地面控制站。无人机系统中的地面控制站是指在地面用于对无人机的飞行状态和机载任务设备工作状态进行控制和监视以及对机载任务设备采集的信息进行处理的设备总称。它通常由飞行控制设备和任务管理设备以及信息处理设备三部分组成。其作用是控制飞行器的飞行方向、速度、高度、飞行姿态, 管理任务设备的工作状态和处理信息。现代无人机已经从原来单一战斗任务中脱身而出, 搭载了各种各样多种用途的任务设备, 对航迹规划的要求越来越高。

随着计算机技术的进步和GPS系统的广泛应用, 无人机地面控制站中逐渐发展出了一个崭新的独立模块--航迹控制系统。利用航迹控制系统, 可以直接在数字地图上进行航迹控制的规划, 能够实时、便捷地得到数字地图中任意一点的多种信息。这一功能将航迹控制规划所需的时间大大缩短。因此, 航迹控制系统是现代无人机发展必不可少的技术。

2 航迹控制系统中数字地图的格式

航迹控制系统中最重要的部分就是数字地图。目前, 航迹控制系统中采用的数字地图主要有两种格式:光栅位图和矢量形式。

2.1 光栅位图及其优缺点。

光栅位图格式的数字地图主要是通过扫描纸质地图得到位图, 然后在位图的特定位置标定经纬度信息, 使用时在地图上选取任意一点都可以经插值计算得到该点的经纬度信息。

采用光栅位图格式的数字地图最大好处就是各种比例尺的纸质地图比较容易获取, 它们的标准是一样的, 但也存在几个问题:

(1) 数据误差大。一般情况下, 一个位图格式的地图文件要通过多次扫描并修正、拼接才能得到, 而在拼接、旋转位图图像时, 都很有可能带入较大的误差。同时, 在选取航点进行经纬度计算时, 根据计算方法的不同, 也会带入一定的误差。这样导致选取航点的估算经纬度与实际经纬度相差较大。 (2) 可获取的信息量少。由于地图文件中仅仅是标定了经纬度信息, 没有体现出位图中点与点之间的拓扑关系, 无法得到航点所在位置的高度等信息, 也就无法为航线规划的高度设定提供参考, 例如地名一类的地理信息更是无从获取。

2.2 矢量数字地图及其优缺点。

针对上述光栅位图格式的缺点, 矢量数字地图是一种显而易见的较好替代方式。在矢量地图的数据结构中, 地理实体用一系列的x, y坐标作为位置标识符。矢量地图不仅包含了三维的地图信息, 即经纬度和高度, 还可以得到地名等其它有用的附加信息, 同时, 它还具有缩放、旋转不失真等特点, 能大大提高航迹控制规划的精确度。在显示地图时, 还可以根据操作者的要求, 有选择地屏蔽不需要显示的内容, 但是, 目前矢量地图的格式非常多, 有Arcinfo的Generate, Arc View的Shape File, Map Info的MifFile, Auto CAD的DXF, Titan的Tsf等格式。由于地图格式的出现, 使得应用系统丧失了通用性, 其结果是矢量地图实现通用困难。另外, 由于矢量地图的本质是用一组指令来描述构成地图的直线、圆、矩形等, 当将矢量地图显示到屏幕上时, 需要由软件将描述图形的指令转换成在屏幕上显示的颜色、位置和形状, 因此大大降低了矢量地图的显示速度。由此可见, 这两种数字地图的格式各有其优缺点。目前, 在小型无人机应用方面, 考虑到软件的通用性和无人机技术的发展, 多采用了光栅位图格式的数字地图。

3 航迹控制系统的工作模式

综合分析国内外无人机系统的特点, 航迹控制系统主要有4种工作模式, 即:航线规划、航迹控制监测、数据回放和数据分析。

3.1 航线规划模式。

航线规划模式用于规划无人机的飞行航线。在航线规划模式中, 调入目标地区的数字地图之后, 随着鼠标的移动, 鼠标所在位置可以同时显示出地图上该点的经纬度信息, 此时点击鼠标即将该点自动追加为航线中新的航点, 同时, 信息提示区中还将显示出当前的航迹控制角以及估算的无人机总航程, 这样的操作明显能方便操作人员, 大大缩短了航线规划所需的时间。当航线设定完毕后, 可以利用航迹控制数据装订功能迅速地将航线数据传送到无人机的飞控系统中。

3.2 航迹控制监测模式。

航迹控制监测, 是指实时接收无人机下传的遥测信息, 解析得到无人机的经纬度和高度等信息, 并在地图窗口中的相应位置显示, 使操作者可以直观地得到无人机的位置信息。航迹控制及姿态监测过程中还能保存相应的数据, 以便供给数据回放模式使用。在实际系统的实现中, 是由地面控制系统通过无线链路实时接收无人机的遥测信息, 并将相关信息通过网络传送到航迹控制系统。初期的各种航迹控制监测系统中, 无人机的姿态都是通过数据方式显示的。当无人机处于视距之内时, 操作手可以直接观测其姿态, 而当无人机飞出视距时, 操作手只能通过飞机的遥测数据来判断飞机姿态。与航迹控制监测类似, 姿态监测也是实时地接收无人机的遥测数据, 同时, 以三维图形方式显示出无人机的空中姿态, 使得操作者可以直观地看到无人机的姿态。

3.3 数据回放模式。

在无人机的实际飞行过程中获得并保存数据之后, 可以通过数据回放模式以与航迹控制监测模式完全相同的视觉效果离线地再现无人机某一次飞行的全过程, 包括无人机的位置、姿态以及其他一些重要数据, 方便对无人机的飞行状况及任务执行状况的分析。数据回放模式具有回放速度控制的功能, 可以用半速、原速、2倍速或4倍速来进行数据的回放, 还可以利用系统给出的控制功能, 方便地实现回放过程的快进、快退等。

3.4 数据分析模式。

无人机系统中允许搭载各种不同的任务载荷, 有些设备是通过一个单独的无线信道直接进行数据传输的, 并且地面有专用设备予以接收, 无需航迹控制系统进行处理, 例如摄像机、照相机等。但是, 也有一些设备是通过无人机的下行遥测链路传输数据的, 例如核探测仪器等。这些设备要求地面控制站能够记录、保存探测数据, 能够针对探测数据进行分析并在数字地图上表现出地面的受污染情况等。

4 航迹控制系统的发展方向

随着微电子、微电技术、信息技术、智能技术和航空技术的飞跃发展, 无人机正向小型化、智能化、隐身化方向发展, 这就给航迹控制系统提出了更高的要求, 为了满足现代无人机发展的需要, 无人机航迹控制系统还应从重点发展以下几个方向。

4.1 矢量地图的应用。

虽然矢量地图仍有一些缺点, 但它有更多的优越性, 它的使用必然是一种发展趋势。航迹控制系统必须在这方面加深研究。

4.2 航线规划的智能操作。

在航线规划的过程中将自动进行航点高度合法性的检测, 当无人机因规划航点的高度太低而可能导致危险时, 航迹控制系统将给出警告提示并给出相应的修改意见。或者, 通过输入对航线的要求, 由系统根据设定的航线自动给出各个航点的高度值, 甚至包括插入一些必需的航点。遇到复杂地形, 需要无人机改变飞行航线时, 系统能够自动给出航线。

4.3 航迹控制系统的三维立体化显示。

|在采用矢量地图之后, 完全可以绘制出三维立体的地形, 使得地图的显示不再局限于二维平面。由此, 将使航迹控制系统发生巨大的变化, 所有的操作和数据的显示将更为直观。系统的功能也不再局限于航线规划和航迹控制监测等。

4.4 航迹控制系统的模块化结构。

模块化、组件化结构是当前软件系统发展的方向。不仅是航迹控制系统, 整个地面控制站都将发展为模块化的结构。各种功能以组件的方式予以实现, 构成一个组件库, 必要时只需各取所需, 再加以拼装, 就可以迅速得到一个新的应用系统。

摘要：简介无人机航迹控制系统的发展, 探讨目前航迹控制系统中所采用的光栅位图和矢量式两种格式数字地图的优缺点, 详细介绍了小型无人机航迹控制系统工作模式, 提出现代无人机航迹控制系统的一些研究发展方向。

关键词：小型无人机,航迹控制,数字地图

参考文献

[1]国外无人机大全编写组.国外无人机大全[M].北京:航空工业出版社, 2001.

[2]航空知识[M].北京:航空工业出版社, 2007.

[3]赵万青.数字专题地图[M].北京:科学出版社, 2007.

人机控制器篇5

基于TMS320F2810的小型无人机控制器的设计

简要介绍了小型无人机的应用和其控制器的特点和组成,分析了小型无人机控制器的`功能和接口需求.根据小型无人机控制器的功能和接口需求,以TMS320F2810为主控芯片提出了一种硬件设计方案,详细说明了如何使用F2810的各个部件完成所需的功能;然后介绍了该控制器层次化、模块化的软件设计方法,说明了系统软件的主要设计思想,并给出了软件层次结构图和流程图;最后分析了使用F2810作为小型无人机控制器主控芯片的优点.

作者：孙毅向锦武 SUN Yi XIANG Jin-wu 作者单位：北京航空航天大学,航空科学与工程学院,北京,100083刊名：机械工程与自动化英文刊名：MECHANICAL ENGINEERING & AUTOMATION年，卷(期)：2008“”(5)分类号：V249关键词：小型无人机飞行控制 DSP

人机控制器篇6

关键词：DOM；精度评估；差分GNSS；无人机航摄

高效快速地制作符合精度需求的无人机DOM影像工作底图是地理国情监测、农经权确权、地籍调查、基础测绘等项目的基础环节。由于目前无人机航摄系统存在体积小、重量轻、飞行稳定性相对较差、相机物镜畸变严重、部分影像可能比较模糊、相机为非量测型相机，单位面积影像数目多；不论是影像空三、DEM生成、DOM影像制作，都比大飞机航摄要困难，尤其是在云南这样的高原多山省份，还存在着地形高差变化剧烈、高地表植被覆盖等许多现实的困难。为了确保精度和可靠性，不论是相应的行业标准还是生产实践作业中，都需要大量布置野外像控点；但是在地形地表复杂地区，野外像控作业不仅低效困难而且充满危险，即便实测了一些点位，精度和可靠性也不能完全得到保障，且时间成本、经济成本、人力成本都比较高[1][2]。

目前差分GNSS技术发展迅速，都已全面兼容GPS、BDS和GLONASS，设备已经实现微小型化，可以比较轻地松搭载在无人机航摄系统上，性价比适中，基本能满足了无人机差分GNSS辅助空三和DOM制作的需求。

为了评估无人机差分GNSS辅助空三和DOM制作的精度，本文选择宁洱某一测区作为试验区，利用地面实测的像控点作为检查点，分别对无地面控制的空三和其制作的DOM精度进行了检测。

一、试验概况

测试测区位于宁洱县德化镇境内，属于典型的亚热带山区，植被覆盖度很高，高差大约500米，如图1所示。无人机采用DM-150型油动无人机，该型飞机有较强的续航能力和抗风能力，起降方式灵活，对地形适应性强，比较适合在云南高原多山地区飞行。相机采用Canon 5D Mark III 28毫米数码单反相机，平均航高约700米，平均分辨率大约0.16米，航向至少65%重叠，旁向至少30%重叠。测区地表森林覆盖率很高，色调明显偏绿，受飞行时天气影响，云影现象比较明显[3]。该区域属于典型的野外像控作业困难地区，利用普洱CORS网络，在测区测得16个像控点，均作为检查点。由于通信、地形等原因，该区域CORS网络RTK所测点坐标精度大约为20厘米，基本能满足1：2000像控精度要求。

鉴于该区域像控作业比较困难，采用武汉际上导航开发的GeoSUN AG200机载GNSS接收机，地面基站为中海达三星多频接收机，采样频率1Hz，均同时采集GPS，GLONASS和北斗数据。采用动态后差分卡尔曼双向滤波算法，动态解算出每一历元下的坐标。根据相机曝光时刻的时间内插出各曝光点的三维坐标。地面基站的起算坐标由像控作业时由RTK一道采集，确保曝光点坐标同像控检查点坐标处于同一坐标系下，相机曝光点坐标的相对精度大约为10厘米。AG200机载接收机和动态差分解算软件示意图如图2所示。

二、空三分析

针对测区数据实际情况，本文采用计算机视觉结合摄影测量的方式，选用PhotoScan + MATCH-AT进行无人机影像的空三。充分发挥了计算机视觉匹配能力强、处理效率高和摄影测量数学基础严密，量测功能丰富的优点，利用后差分解算得到的曝光点坐标作为外方位线元素约束，进行了无像控模式下的空三平差解算，所有的16个像控点均作为空三加密检查点。测区影像重叠关系、连接点分布以及空三加密检查点分布如图3所示（部分点位为双点布设）。从图3可以看出，测区内部重叠度较高，连接点密度分布均比较理想，检查点由于地形和森林覆盖等原因，分布不是特别均匀。

图4为测区连接点连接关系示意图，从连接点的连接关系来看，影像重叠度大和地物特征明显地区，连接关系比较密集和牢固，森林地区连接点相对较少，且连接关系相对稀疏。

图5为空三加密检查点平面和高程的误差分布示意图，其中平面中误差为0.62米，高程中误差为0.53米，满足GB/T 23236-2009 《数字航空摄影测量空中三角测量规范》对1：2000山地影像的要求。

图6为空三加密过程中摄站位置的平面和高程残差，二者均未发现明显的系统性残差趋势；图7则为摄站平面及高程的误差椭圆示意图，除测区边缘外，误差椭圆大小均接近一致，均接近圆；图8为测区内连接点的平面和高程误差椭圆示意图，除测区边缘外，测区内部误差椭圆大小均比较一致（部分位于森林区域的点稍大），均无明显的方向。从图6、7和8说明，测区内部精度分布相对比较均匀，连接关系稳健，空三精度相对较好。

三、立体模型检查

为了进一步说明无地面控制的差分GNSS空三平差的精度，将平差结果导入立体量测环境，观察立体效果，如图9所示，立体效果明显，无明显的上下视差[4]。

然后选取基高比满足要求立体模型，由双像空间前方交会出检查点在这些立体模型下的的坐标，对比检查点的实测坐标，统计分析检查点的精度，如表1所示。

统计结果表明，在立体模型下，明显地物点点位精度基本满足CH/T 9008.1-2010《基础地理信息数字成果 1：500、1：1000、1：2000数字线划图》的精度要求[6]。

四、DOM精度检查

空三结束后，制作了无地面控制的差分GNSS辅助制作的DOM，在ArcGIS环境下，根据数字刺点片的位置描述，在DOM上采集检查点的坐标，并和实测坐标比较，统计分析了地面点的坐标精度，如表2；图10为DOM上检查点误差分布示意图（图中间部分为屋角点，受房屋投影差的影响，误差较大，在DOM精度统计中未纳入统计分析，其余点均为地面点）。

初步结果表明，DOM精度大约为GSD（地面采样率）的3-4倍，完全满足CH/T 9008.3-2010 《基础地理信息数字成果 1：500、1：1000、1：2000数字正射影像图》关于DOM精度不大于图上0.8毫米的规定，也就是1.6米[5]。

五、总结

本文从影像空三、立体模型检查、DOM检查等多个方面对无地面控制的差分GNSS辅助空三制作的DOM进行了精度分析和检测，结果表明对于山区1：2000 DOM影像而言，这种方法制作的DOM完全满足相关规范的要求，且尚有较大的精度余地，对于减少野外像控作业，提高作业效率大有帮助，差分GNSS辅助空三将是一种很有潜力的技术手段。

但是也应该看到该试验测区检查点分布较少且不是很均匀，精度检测结果还不能完全说明问题，还只是比较初步的精度验证结果，还有一些问题还需要进一步深入研究，目前已准备进行更为严格和严密的测试。

参考文献：

[1]孙杰，林宗坚，崔红霞.无人机低空遥感监测系统[J].遥感信息，2003，（1）：49—50.

[2]范承啸，韩俊，熊志军，赵毅.无人机遥感技术现状与应用[J].测绘科学，2009（05）.

[3]张旭.CH/Z 3005—2010.低空数字航空摄影规范[S].北京：国家测绘局.2010.

[4]张旭.CH/Z 3003—2010.低空数字航空摄影测量内业规范[S].北京：国家测绘局.2010.

[5]田文斌.CH/Z 9008.3—2010.基础地理信息数字成果1：500，1：1000，1：2000数字正射影像图[S].北京：国家测绘局.2010.

飞翼布局无人机重构控制方法研究篇7

飞翼布局无人机采用隐形超机动无尾设计,大大增加了系统的不确定性和非线性,这对系统的安全性和可靠性提出了更高的要求。这类飞机非线性特性明显,舵面的非线性特性增加了系统的复杂性。另外,飞机飞行条件复杂,动压变化剧烈,特别在执行任务时,飞机会受到战斗损伤,发生部件故障,使得飞机飞行品质下降甚至坠机。大量研究数据发现[1],17%的坠机事件是由飞控系统损失造成的。其中,飞翼布局无人机飞控系统结构越来越复杂,作用更显重要,其安全可靠性已成为飞控系统设计考虑的首要问题。因此,有必要加强对飞翼布局无人机飞控系统重构技术的研究,提高无人机在故障或意外损伤时的自修复能力。

目前,大部分容错控制系统是建立多余度控制器,一旦在线探测出主控制器故障,就使用备用的控制回路。然而,采用这种方法会显著增加成本以及控制系统的维修复杂程度。因此,容错控制系统没有或很少采用控制冗余的方法。近年来,基于功能冗余的故障容错控制已经被使用。该方法是在线探测和诊断飞控系统,根据系统故障更新控制律。

文献[2]描述了当前重构方法的一些不足,提出将智能方法和常规方法相结合可能是实现自动控制的最优方法。实际上,只有很少的研究得到了应用。在飞行器和航天飞机控制中,对于故障容错问题,文献[3]提出一种基于径向神经网络的方法。文献[4]提出一种故障检测和辨识以及自适应重构的控制方案,应用于F18的机动飞行时,得到了预期的效果。在近年来,基于故障容错控制的NN模型已经被研究。关键点是将NN应用到一个FTC实际系统时,模型必须能足够精确地估计系统故障和满意的实施要求。文献[5]提出一种神经自适应控制方案,它能够根据部件故障和实际的发动机能量在线调整权系数,直到维持期望的性能和稳定性。

重构飞行控制系统采用了主动容错控制技术,在对飞控系统故障进行检测和辨识的基础上,充分利用了飞控系统的功能冗余进行飞行控制律的重构,使飞机能适应更大范围的故障或特殊任务环境。从而使飞机在出现大范围故障和战斗损伤(如舵面、翼面结构损坏等)的情况下,保持一定的飞行性能,保证飞行器能够继续完成任务或安全返航。其研究对提高飞机的安全可靠性、作战生存力、可维护性和作战效能等具有重要意义。

1 国内外发展现况

重构飞行控制系统是美国国家航空宇航局(NASA)于1982年首先提出的[6]。具体研究开始于1984美国空军飞行动力学实验室实施的可重构飞行控制系统计划,从此开始了对可重构飞行控制系统关键技术和可靠性的研究以及系统设计、实现和飞行验证[7]。

1989~1990年,美国空军在F15验证机上验证了基于伪逆法的重构控制策略[8,9,10],表明了早期可重构飞行控制系统在一系列关键技术上已经取得了突破性进展,成为一种飞控系统重构控制方法。然而,基于伪逆法的控制策略是建立在故障检测与隔离(FDI)基础上的,这就对FDI系统本身的可靠性、实时性以及检测结果的精确性提出较高要求,任何一个环节出现问题都可能导致重构控制失败。

九十年代以后,随着计算机技术以及可重构飞控系统各项关键技术的发展,重构控制系统设计逐渐向自适应控制方向发展,而不再完全依赖于FDI系统。1996年5月~7月,美国空军动用了VIA-TA/F-16验证机,用以验证一种新的直接自适应重构控制方法。通过对VIATA/F-16在左平尾损伤情况下进行飞行重构测试,结果表明,该技术可以使损伤飞机平稳着陆,成功地完成了飞控系统重构。自适应模型跟踪方法对于渐变和突变故障、单故障和多故障以及一些不可预知的情况,都能够有效地完成重构控制。对于该可重构控制系统飞行验证方案模型跟踪自适应控制方法,其飞行验证结果的成功被认为是可重构飞行控制系统设计的一个重要里程碑。

上世纪末,美国启动了“无尾飞机飞控系统重构与自适应研究计划”,其目的是为2000年以后使用的无尾隐身战斗机研制一种可重构自适应飞控系统。该计划采用一项动态逆与神经网络相结合的飞控技术,并在一些机种上得到成功应用[11]。如无尾战斗机的飞行控制,R-50直升机的控制、旋翼机控制及X-33的姿态控制等[12,13]。特别是,该技术用于NASA研究中心的XV-15旋翼机仿真平台,在整个飞行包线上都取得了很满意的性能。与传统的方法(增益调参方法)相比,该方法在性能上有很大改进,且有望节约大量开支,并在X-36试飞中取得了成功[14]。X-36为新研制的无人、无尾敏捷性研究机,可作为无尾战斗机的缩比模型,其机动性能超过任何常规飞机。这项飞控技术最主要的优点是自适应地修正由于建模不准引起的逆误差,对操纵面故障有自动补偿能力,无需依赖故障检测与辨识,从而提高修复过程的快速性。

目前,自适应控制理论已经突破了传统自适应技术框架的束缚,形成了一种新型的自适应概念,重点突出了自学习、自组织和自决策能力。智能控制技术是传统控制理论在深度上的挖掘,是研究与模拟人类智能活动及其控制与信息传递过程的规律,包括神经网络、模糊控制、专家系统等仿人智能控制技术。

我国在“九五”期间开展了自修复飞行控制技术的研究工作,并对自修复系统在多种舵面故障和损伤情况下的故障检测和隔离以及控制自修复进行了地面半物理仿真试验,初步验证了该项技术方案的可行性,取得了一些阶段性的成果。初期开展的研究和取得的成果都是基于线性系统的,目前,我国的一些研究人员也开始研究有关非线性系统的重构控制技术。

2 飞翼布局无人机的几种重构控制方法

传统的飞控系统设计方法,是按照不同的飞行状态将飞机的运动方程进行小扰动线性化,得到线性化模型,然后再设计控制律。这种设计方法存在建模误差,控制律在不同工作点之间切换可能造成参数突变,且难以保证系统在全局上拥有每个局部工作点设计时所期望的性能。然而,对于大过载、超机动、大空域飞行等特点的无人机,其系统表现出复杂的非线性特性。以前基于线性时不变系统的重构控制技术已经不适合了,如伪逆法、线性模型跟随法、多模型转换和调节技术等。基于非线性系统的控制方法,开始引起国内外学者的重视。目前,取得了一些研究成果,如增益预置[15]、非线性动态逆控制[16]、自适应控制[17]和基于神经网络的智能控制[18]等,这些方法的出现为重构控制技术的研究提供了新的思路和方法。

重构技术朝着自适应控制技术方向发展。自适应控制是指修正自身特性以适应对象和扰动特性变化的方法。线性系统的自适应控制已经有了许多好的理论结果与应用。但是对于参数不确定性和不确定非线性的鲁棒自适应控制仍然存在许多问题,这引起了许多学者的关注。虽然己有许多文献对此进行了研究,但对未建模动态的鲁棒性问题的研究还不多,只在少数文献中可见。文本将介绍目前国内外正在研究的有关飞翼布局无人机的几种重构控制方法。

2.1 非线性动态逆重构控制方法

非线性动态逆控制方法非常适合多变量、非线性、强耦合、时变对象的控制。它通过对被控对象非线性耦合特性的准确建模,在线构成非线性耦合时变控制器,以抵消对象的非线性耦合时变特性,使系统成为伪线性系统,然后再用线性系统的各种设计理论来完成伪线性系统的综合,使整个系统达到预期的响应要求。动态逆方法在飞机的超机动飞行控制中有着成功的应用,一些研究表明动态逆能有效补偿大迎角超机动飞行中的非线性特性。但是动态逆方法对建模误差敏感[19]。由于建模往往难以精确,一旦模型与实际飞机有差别以及执行机构出现饱和特性时,都会使非线性耦合特性的对消受到影响,导致控制性能的恶化甚至失稳。

由于非线性动态逆方法存在的这些缺点,将其单独应用于飞控系统的重构控制效果并不理想。国内外一些研究人员提出将其它的一些控制方法与动态逆相结合,以补偿因建模误差带来的影响。文献[19]将动态逆控制与自适应PID技术相结合,对不准确的运动模型,突发的部件故障,以及瞬时的系统失效具有自适应功能,将它应用到无尾飞机的重构控制系统中,可以保证无尾飞机飞行时具有良好的稳定性和满意的性能要求。将动态逆与自适应PID技术相结合的容错重构控制系统,以自适应PID控制的输出来补偿动态逆模型自身的不准确以及突发故障等引起的动态逆模型偏差,克服了传统容错重构控制的不足,具有预见性强,稳定性好,结构简单等优点,在复杂的飞控系统中有很好的应用前景。文献[20]将非线性动态逆与神经网络在线辨识空气动力学模型相结合,开发出一种可重构控制系统。在所设计的控制系统中,两个部分能够相互区分。其中,一部分是使用非线性动态逆进行构建和更新机载模型,另一部分是非线性动态逆结构本身。仿真结果表明,所开发的重构系统是可行的。该方法不仅可以用于结构故障,也可以处理执行器故障和冗余问题。但是,还有一些问题有待于进一步解决(需要增强鲁棒控制以消除建模误差和传感器噪音带来的影响,对敏感性的定义以及在线测试等问题)。将非线性动态逆控制方法和其它一些控制方法相结合,既可以发挥出非线性动态逆控制方法处理非线性对象的优势,又可以避免因建模误差给控制系统带来的危害,是一个值得研究的方向。

2.2 非线性鲁棒重构控制方法

鲁棒控制理论始于加拿大学者Zames于1981年首先提出的控制理论[21]。鲁棒控制理论经过30年的发展,已经逐渐成熟,由于在处理不确定性问题的独特优势,在航空、航天以及兵器等领域得到了广泛的应用。

非线性鲁棒重构控制方法在结合局部线性状态反馈控制器的基础上,引入基于自适应神经网络鲁棒控制器。自适应鲁棒控制器设计方法不需要求取李亚普诺夫方程的公共解,不要求系统的不确定性项满足任何匹配条件或约束。所提出的带有补偿项的完全自适应RBF神经网络,通过在线自适应调整RBF神经网络的权重、函数中心和宽度,提高了神经网络的学习能力,可以有效地对消系统的不确定性影响。同时通过自适应补偿项在线估计神经网络的近似误差边界,弥补了神经网络的不足。该方法保证了闭环系统的稳定性,有效地提高了系统的鲁棒性和跟踪性能。

2.3 模糊重构控制方法

自适应模糊逻辑系统具有一致逼近特性,可充当万能逼近器,能够在任意精度上逼近一个定义在致密集上的非线性函数,通过一系列模糊规则对非线性系统建模。其原因是自适应模糊逻辑系统具有学习算法的模糊逻辑系统,其模糊逻辑系统由一系列模糊“if-then”规则组成,而学习算法则是依靠数据型输入—输出对来调整模糊逻辑系统的参数。

基于模糊T-S模型的非线性系统的控制问题受到学者的广泛关注。模糊T-S模型易于表达非线性系统的动态特性,把一个非线性系统转化为多个局部的线性模型,设计模糊控制器来保证系统性能和稳定性。利用模糊T-S模型对非线性系统的动态特征进行建模和控制已成为模糊控制的一个热点。

模糊T-S模型建模的本质是把一个整体的非线性动态模型转换为多个局部线性模型,它的提出为模糊系统的稳定性和性能分析提供了强有力的工具。模糊T-S模型是将非线性系统线性化的一种有效方法,可设计模糊控制器来保证系统稳定性和期望的性能。自适应模糊逻辑系统具有一致逼近特性,能够在任意精度上逼近一个定义在致密集上的非线性函数,能够充分利用语言信息和专家信息,通过一系列模糊规则对不确定性非线性系统建模。目前,自适应模糊逻辑系统在非线性系统中已有成功的应用。

3 控制律重构的发展展望

二十世纪九十年代以后,随着计算机技术以及可重构飞控系统等各项关键技术的发展,重构控制系统的设计逐渐朝着自适应控制方向发展,而不再完全依赖于故障检测与诊断系统。从技术可行性及应用角度来看,未来可重构飞控系统的设计方向应该是对自适应控制技术的进一步开拓,包括对在线参数辨识、最优控制以及自适应控制的全面应用。

从理论研究角度来看,可重构飞控系统的研究不可避免地要朝着智能控制的方向发展。首先是智能控制方法与传统控制方法相结合所形成的飞行重构控制方法,如神经网络自适应控制方法,其控制结构与线性系统完全相同,只是被控对象的辨识模型为神经网络,从而使得该控制方法可借助于神经网络自适应控制推广到了非线性系统。此外,随着智能控制理论本身的发展,其交叉和衍生出的各种控制方法也逐渐应用于可重构飞控系统的研究中,如模糊神经网络、自适应动态逆等。

目前,从国内外理论研究和新技术应用角度来看,针对飞翼布局无人机这一具有非线性、强耦合以及时变性等特点的复杂系统,飞控系统重构控制技术的发展重点在于进一步提高飞控系统的自适应能力,飞控系统重构控制技术的智能化将成为技术发展的主流。另外,将神经网络、非线性动态逆、模糊控制、专家系统等智能控制技术,与自适应控制、鲁棒控制相结合的智能化重构控制技术已成为解决飞行重构控制问题的一条有效途径。这无疑将有力地促进飞控系统重构技术的发展。飞控系统重构控制技术的另一个研究方向在于进一步完善已有的重构算法和增益调节控制律的结合,以提高飞控重构技术的应用潜力和适应灵活性。此外,在现有的研究结果上还需要进行大量的驾驶仿真和飞行试验,以全面地研究传感器、执行机构和舵面等故障下的应用情况,从而将飞控系统重构技术进一步推向工程应用领域。

4 结束语

无人机起飞与降落控制规律的研究篇8

1 无人机自动起飞控制律的研究

1.1 无人机自主起飞过程描述

轮式起降的无人机, 在起飞之前需要先在机场跑道上做慢车滑行, 到达起飞点后在跑道上进行加速滑跑, 随着速度的增加, 前轮开始离地形成飞迎角, 直到无人机完全飞离地面。在整个过程中, 主要分为三轮滑跑、两轮滑跑和爬升到安全高度三个阶段。其示意图如图1所示。对于自主飞行的无人机而言, 无人机只需要在控制系统的操作下, 确定其滑跑阶段的航向与跑道中心线一致, 启动发动起起飞加速到前轮抬起离地就可以顺利的完成整个起飞过程。整个飞行过程的具体内容如下所述。

1.1.1 三轮着地滑跑阶段

当无人机停在跑道中心线准备起飞的时候, 发动机便处于最大推力状态, 然后松开刹车, 无人机便在侧偏控制律作用下加速滑跑。在无人机逐步滑行的过程中, 速度会逐渐增大, 受到的空气升力也会不断的增加。当无人机前轮受到的地面支撑力为零时, 控制舵面或偏转升降舵在俯仰力矩的作用下前轮逐渐离开地面, 此时无人机进入两轮着地滑跑阶段。如果无人机能够具备优良的爬升性能, 也可以通过降低前轮速度来实现短距起飞。

1.1.2 两轮着地滑跑阶段

进入两轮着地滑跑阶段, 需要注意舵面操作的平稳性, 无人机需要保证两轮滑跑阶段的平衡直到达到离地速度才可以自动离地起飞。无人机的自动起飞系统应该能够检测到无人机的滑跑速度和离地速度, 当无人机达到离地速度的时候, 自动偏转襟翼到起飞位置, 无人机开始离开地面。

1.1.3 离地爬升至安全高度阶段

当无人机两轮滑跑速度达到离地速度后, 无人机正式以起飞迎角离开地面, 接着将会进入快速爬升阶段, 快速提升飞行速度来保证无人机的安全性。当无人机爬升到15米高度时, 便进入国内规定的安全起飞高度, 这时起落架可以收起以减少空气的阻力。在这个阶段, 无人机一直处于加速飞行状态, 直到其顺利通过机场障碍物。当到达安全的高度后, 襟翼开始收起, 其后随速度增加, 则逐渐回舵, 使得升降舵偏角逐渐减小。

在无人机的起飞过程中, 滑跑纠偏控制律和起飞控制律发挥了重要的作用, 这是因为在整个起飞的阶段, 无人机不仅需要在跑道的中心线进行加速滑跑, 还需要在起飞的一刻建立起飞姿态, 保证安全起飞。在之前的研究中, 滑跑纠偏控制律控制舵面单一, 都是选择前轮进行转弯控制, 控制效率低。而传统的纵向起飞控制率则采用的是简单有效的内外回路控制结构。

1.2 滑跑纠偏控制

滑跑纠偏控制在无人机的安全起落中发挥了重要的作用, 是无人机地面滑跑阶段最为重要的控制技术。考虑到无人机本身结构设计中存在的不对称性, 以及机场跑道上的气流、风向和地面凸凹等不确定因素的影响, 无人机在滑跑过程中并非沿着跑道中心线滑跑, 而是在滑跑过程中出现偏离跑道中心线的情况, 这时就需要对无人机及时的进行纠偏, 防止无人机跑离跑道, 造成严重的飞行事故。无人机地面滑跑纠偏的控制机构通常有自由转向前轮、主轮差动刹车装置和方向舵。其中自由转向前轮是依靠安装在前起落架上的转向舵机对前轮偏转角度进行控制以实现滑跑方向的纠偏控制;主轮差动刹车装置是依靠安装在主起落架上的刹车装置推动左右主轮对地面产生摩擦力偏差以实现单个主轮的刹车控制, 从而实现滑跑方向的纠偏控制;方向舵则是利用空气动力来产生侧向力从而实现对滑跑方向的纠偏控制。

1.3 起飞控制策略选择及控制律介绍

1.3.1 起飞控制策略选择

在不同的滑跑阶段, 起飞控制策略选择上也各有不同:

(1) 三轮滑跑阶段:此阶段控制策略选择主要是推力矢量舵和鸭翼舵不偏转, 保持零偏转角。

(2) 两轮滑跑阶段:此阶段控制策略选择主要是联合偏转鸭翼和推力矢量舵面来完成对起飞姿态的建立, 从而确定起飞姿态角。

(3) 离地爬升阶段:此阶段控制策略选择主要是鸭翼和推力矢量舵面联合偏转, 对气流干扰的抵制能力有所增强。

1.3.2 控制律介绍

无人机自动起飞过程中, 起飞段的飞行控制规律主要分为纵向和横向控制两个方面。纵向控制规律对于无人机起飞离地的安全性至关重要, 这也是无人机安全执行空中任务的基础。

(1) 升降舵控制系统:无人机的起飞过程中, 对于升降舵控制律的设计主要是考虑了抬前轮和离陆爬升两个阶段。其中, 把飞机的离地作为两个控制率的切换。当无人机在地面进行加速滑跑的过程中, 当滑跑速度逐渐增加达到离地速度时, 把此刻的俯仰角作为控制量, 产生舵偏角信号进而控制升降舵负偏转, 无人机的前轮便开始慢慢的抬升, 两轮保持滑跑, 形成一定的起飞迎角。当无人机起飞离开地面后, 同样通过返回俯仰角偏差信号来控制升降舵偏转, 使无人机保持一定的角度进行快速的爬升。

(2) 推力控制系统:当无人机离开地面进入爬升过程时, 就需要采用推力控制系统进行控制, 此时无人机按照一定的速度和航迹角在推力控制系统作用下进行快速爬升。推力控制系统控制律的设计方法通常有传统的推力控制系统和迎角稳定系统。传统的推力控制系统又称为直接稳定速度, 其设计方法相比迎角稳定系统来说简单直观, 更容易直观的反映出发动机转速对于无人机飞行速度的影响;而迎角稳定系统则由于缺乏阻尼极易出现较大的超调, 直接对速度进行控制可以有效地的克服以前出现的在跟踪迎角的同时速度而变化很大的问题, 因而其控制效果最为明显。

2 无人机自动着陆控制律的研究

2.1 无人机着陆描述

无人机的着陆和普通飞机的着陆是非常相似的, 当无人机飞行在机场上空准备着陆时, 也是在某一个高度平飞, 飞行到着陆下滑窗口时, 进行“轨迹捕获”, 沿着下滑轨迹线飞行, 高度逐渐降低, 直到安全的与地面接触, 发动机开始停止工作, 飞机刹车减速滑行。整个过程分为五个阶段, 如图2所示。

第一阶段:进场。这个是无人机准备着陆的阶段, 此时无人机保持一定的飞行速度和飞行高度, 并且适时调整逐步达到合适的范围内。

第二阶段:轨迹捕获。此次无人机到距离机场跑道还有一定的水平距离, 无人机做准备下滑, 通常这一位置称作下滑窗口。

第三阶段:下滑。无人机在控制规律的作用下进入到下滑轨迹, 通常沿着直线下滑, 这一阶段无人机保持一定的飞行速度和飞行姿态, 跟踪下滑轨迹, 飞行的控制律也保证了无人机飞行的平稳性。

第四阶段:拉平。无人机下滑到一定高度时, 就要进入拉平飘落阶段, 这个时候要让无人机抬头形成一定的迎角, 实现后轮首先着地, 同时拉平还有利于减小下滑的速度, 保证无人机以较小的冲击力进行安全着陆。

第五阶段:地面滑行。无人机后轮着陆后, 在地面和自身的惯性下前轮也会完成着陆。发动机开始停止工作, 无人机进行刹车或降落时减速, 同时保持无人机沿着跑道的中心线进行滑行。

如上所述, 无人机的着陆控制的关键点就是轨迹的控制, 跟踪下滑轨迹, 保持飞行姿态的平稳, 以消除飞行过程中各种因素对姿态平稳性的影响。

2.2 着陆控制策略的选择

自动着陆过程总共分为五个阶段, 每个阶段分别采用不同的控制策略。

(1) 进场飞行阶段。进场飞行阶段主要是为无人机着陆做准备的, 此时无人机的起落架自动放下, 整个过程中纵向和横侧向由航路信息决定控制方式进行控制, 设计航路通常为平直飞。

(2) 轨迹捕获阶段。无人机从当前的飞行状态进入到沿着下滑线下降是飞机着陆过程中相对比较重要而且复杂的阶段, 无人机的下滑过程中的安全与稳定很大程度上取决于这个阶段的过渡。无人机通常采用“撞延长线”的方式来进行轨迹捕获。从飞行安全的角度来考虑, 无人机在穿过下滑线进行下降时, 采取低于下滑线下降的形式要比高于下滑线下降的形式好。所以, 在轨迹捕获控制中, 可以采用穿过轨迹剖面后再切入进去, 跟踪轨迹的剖面。对于这一阶段的控制也是有航路信息所决定的。

(3) 直线下滑阶段。通过直线下滑阶段可以有效地减少或消除捕获阶段带来的高度和速度的偏差, 建立和稳定无人机的等效空速, 跟踪高度剖面, 以对准跑道, 做好着陆前的最后准备。在这一阶段, 横向采用航迹进行控制, 纵向则采用高度跟踪控制。下滑段的高度跟踪控制和起飞时的给定高度控制是不一样的, 尽管下滑轨迹倾角小, 但是必须要考虑高度跟踪控制的斜坡响应特性, 从而尽量的减小跟踪误差。尽管没有直接的闭环控制手段来对下滑线上速度进行调整, 但是可以通过跟踪轨迹剖面来保持一定的姿态, 进而对速度实现调整。

(4) 末端拉起阶段。通过末端拉起阶段能够有效地降低无人机的速度, 使无人机在接近高度剖面飞行, 使的无人机在触地时的位置、速度和迎角等各项指标都处于安全的范围内。在这一阶段, 横侧向和纵向还是分别采用航迹和高度控制的方法, 进而对准跑道。这个阶段由于速度逐渐的减小, 控制能力越来越低, 在拉起阶段无人机无法准确的对准高度剖面, 控制系统也只能确保无人机具备沿着轨迹剖面下滑, 进而相对准确的控制着陆点的位置。

(5) 地面滑跑阶段。当无人机着陆后, 纵向变成姿态控制, 发动机从空中慢车状态变为停车状态, 俯仰角也逐渐变为零;横向通道横滚改出, 机翼保持水平姿态;方向舵通道接通航向控制, 当速度降到70km/h时, 使用主轮差动刹车以实现对航向的有效控制。

参考文献

[1]张明廉主编.飞行控制系统[M].北京航空工业出版社, 1994

[2]肖顺达编.飞行自动控制系统[M].北京国防工业出版社, 1980

[3]李峰, 曹云峰, 曹美文.某型无人机着陆过程中地面滑行段的建模与仿真[J].指挥控制与仿真, 2006 (02) .

[4]邹湘伏, 何清华, 贺继林.无人机发展现状及相关技术[J].飞航导弹, 2006 (10) .

[5]陈晨, 周洲.无人机滑跑起飞过程及其数学模型研究[J].科学技术与工程, 2007 (13) .

[6]贺成龙, 陈欣, 李春涛.无人机地面滑行自主起飞的建模与控制[J].航空学报, 2008 (S1) .

[7]唐强, 朱志强, 王建元.国外无人机自主飞行控制研究[J].系统工程与电子技术, 2004 (03) .

[8]王永寿.日本对无人机起飞与着陆技术的研究[J].飞航导弹, 2005 (03) .

人机控制器篇9

目前,我国大多数机械式立体车库的人机交互界面的设计都过于简单,或是直接采用机械式操作和非接触式刷卡存取车。随着大数据时代的到来,这些设计方式不利于对车库用户信息的日常管理,满足不了现代科技飞速发展带来的种种需求。针对以上问题,该文采用Qt语言实现了人机交互界面的设计。管理员和用户均可以通过此界面对各自的信息进行管理,随时查看自己车位的使用状况。在出现紧急情况时,管理员可以通过该界面第一时间与用户取得联系。在使用的过程中,系统会以语音的形式引导使用者更好的操作该软件系统。该设计还支持手机移动端的操作,以短信的形式,通过GSM模块发送特定的内容到该软件系统,该系统就可以向下位机发送相应的数据进行存取车操作。

1 软件总体框架

该软件实现的功能主要是创建多个操作界面,并根据不同功能完成各个界面之间的跳转;在对界面进行操作时,通过配置串口、GPRS/GSM完成和下位机、手机APP的通信;搭建数据库,对管理员、用户和车位的信息进行存储,在数据的录入中,可以随时调用软键盘进行输入[1];软件在运行时还可支持中文的显示,并在操作车库的同时进行语音提示,使车库的使用更加便捷。该软件的总体框架图如图1所示。

2 软件整体工作流程

软件在启动时,应先对数据库、车位信息、串口等进行初始化。运行的过程中,始终对下位机串口、手机APP串口和软件自身界面进行监控。当有数据传入,即刻将收到的数据与数据库中的数据进行对比验证,验证成功方可进入系统。进入系统后,若操作车位,则向下位机发送数据;若联系用户,则向手机APP发送数据;若操作数据库,则在对比验证成功后对数据库进行更新。具体流程图如图2所示。

3 软件功能实现分析

3.1 界面切换

该文中采用了大量的信号(signals)和槽(slots),它们是Qt中的典型机制[2]。在该文中的具体使用方法如下。

Connect(发送者sender,信号函数SIGNAL,接受者reciever,槽函数SLOT)信号与槽主要对按下(QPush Button)事件进行捕捉,实现界面与界面之间的调转切换,完成该按键按下时相应的数据操作。图3为软件界面的调用框图。

3.2 串口通信

串口通信是该文实现的重点,它是连接下位机和手机APP的通信桥梁。在Qt语言中,提供了第三方类Posix_Qext Serial Port对串口进行操作[3],Posix_Qext Serial Port类打开串口及对串口进行初始化的主要代码如下所示:

其中,uartCom为Posix_Qext Serial Port的类对象,通过构造函数操作Linux系统/dev/路径下串口0的驱动程序tty SAC0。在Linux系统中,Posix_Qext Serial Port对串口的操作只能采取轮询方式Polling,即定义一个定时器,每隔一段时间对串口进行扫描,查看是否有数据的操作。在以读写方式打开串口后,定义串口的通信方式。该文使用的串口0和串口1的通信方式均约定为:波特率1 1 5 2 0 0,8个数据位,无奇偶校验,1个停止位。利用Posix_Qext Serial Port类提供的write(const char*)函数和read All()函数完成对串口数据的写入与读取。

3.3 GPRS/GSM短信接收

上位机与手机APP的通信主要通过串口控制GPRS/GSM模块完成[4]。GPRS/GSM模块内置了TCP/IP协议,只需往该模块中写入AT指令即可实现收发短信和拨打电话的功能。表1为该文中用到的基本AT指令。

在通过串口往GPRS/GSM模块写入AT指令时,需要在写入的字符串后面加上“r”,Linux系统中“r”为回车标志。收到手机APP端发送的短信后,要提取发送者的号码以及发送的信息内容与数据库中的内容进行比对,才能正确的将相应的命令发送到下位机。经过多次测试,接收到短信时串口会收到并读取带有“+CMTI”字符串的数据,每次读取到的短信数据中,发送者的手机号码在“+86”(移动卡)或“"86”(联通卡)字符串后面,收到的短信内容位于“+32"”后面。根据这些数据,就可以将字符串中的号码和内容截取出来。

3.4 数据库搭建

Qt中支持多种数据库语言,该文选用最基础的sql语言搭建存储管理员、用户和车位具体信息的数据库[5]。该文调用QSql Database的add Database函数创建了名为database.db的sql数据库,并通过QSql Query对象的exec()在数据库中创建了两个表格(userinfo和managerinfo)分别存放用户信息、管理员信息和车位信息,其中用户信息和车位信息如表2所示。

在上位机软件的编写过程中,会多次对数据库进行操作,比如密码验证、密码修改、添加删除用户、车位选择界面的显示等。

3.5 数据共享

在程序的编写过程中,经常出现多个类调用同一个对象的情况,为此,该文使用定义全局变量的方法来实现数据的共享,其中定义的全局变量如表3所示。

其中,user为停车位选择界面类的对象,在用户操作界面和管理员操作界面都要调用该对象,将其定义为全局变量,方便引用;gprs Com为操作GPRS/GSM模块的串口类对象,在欢迎界面、联系用户界面都使用同一串口,故定义为全局变量;uart Com为与下位机通信串口的类对象,在欢迎界面、管理员操作界面、用户操作界面都会使用该串口发数据,定义为全局变量;close Parking Flag为bool型变量,当其值为true时,任何界面都可以调用它来关闭该界面。

3.6 语音提示

为了使人机交互界面更加人性化,该文加入了语音提示功能。在Linux系统中,madplay是一款通过命令行控制的音乐播放软件,只需将madplay移植入Linux系统中即可。完成madplay的移植后,需要单独创建一个线程来播放语音,否则会导致系统界面运行崩溃。在程序中用system()写入命令就可以实现语音播放功能。如下所示:

3.7 中文显示

QT/E-4.7.1支持中文显示[6],格式为wenquanyi,在main函数中定义QFont的对象,使用该对象的set Family()函数设置此格式,具体代码为:

4 系统测试

把编译好的可执行文件移植到嵌入式系统中[7],上电开机。设计的软件系统界面运行流畅,语音提示清晰,支持中文显示。进入管理员或用户操作界面,输入密码进行验证,密码错误报警提示,密码一致则正确跳转;对车库用户进行管里,在信息表中可以看到数据库运行正常。用USB转串口线与电脑连接模拟与下位机的通信,存取车时均发送了正确数据;进入联系用户界面,成功给数据库中的用户拨打电话和发送短信,用手机给软件系统发送数据,成功接收并向下位机(电脑)发送了相应数据。经过多次测试,整个软件系统运行稳定,效率高,使用方便。

5 结语

该文采用Qt实现了友好的智能立体车库人机交互界面,可方便地移植到Linux嵌入式系统中使用;引入数据库存储车库的数据信息,符合现代社会的大数据发展趋势;通过触摸屏完成存取车的操作,操作过程中伴有语音提示,更加贴近人们的日常生活。

参考文献

[1]谢芬,潘丽,刘守印.基才QT/E的嵌入式Linux系统的软键盘实现[J].电子设计工程,2012,20(5):177-179.

[2]丁林松,黄丽琴.Qt4图形设计与嵌入式开发[M].北京:人民邮电出版社,2009:78-489.

[3]陈静.基于Ubuntu13.04系统下QT串口通信设计[J].电子世界,2014(18):244.

[4]白洁.基于ARM的嵌入式GPRS通讯系统的设计与实现[J].高校实验室工作研究,2013(44):44-46.

[5]梁隆恺,韩改宁,王晓妮.嵌入式Qt下的数据库程序设计与开发[J].办公自动化:综合版,2014(11):58-61.

[6]周继芹,薛天宇.基于嵌入式Linux和Qtopia平台中文环境的实现[J].网络新媒体技术,2008,29(2):80-83.