无人机控制系统

1小型无人机数据链与自主飞控系统设计北京工商大学信息工程学院(100037)陈天华郭培源周鹰卢思翰安鹏摘要：介绍了小型无人机的组成与总体结构，研究了无人机自主飞行控制系统、数据链、起飞和着陆系统设计方案，采用嵌入式系统和GPS实现了无人机的自主飞行控制和目标自动搜索与识别。关键词：无人机、自主飞行、数据链、模式识别、飞行控制、空中机器人中图分类号：TP319，V249.1文献标识码：A无人飞机又称为空中机器人，它诞生于20世纪50年代，由于欧美等国对无人机研究的重视，进入21世纪，空中机器人技术已趋成熟，性能日臻完善，逐步向小型、智能和隐身方向发展[1]。利用无人机进行侦察、执行作战等任务可以减少人员伤亡，并在通信、气象、灾害监测、地质等方面得到了广泛的应用。空中机器人水平的高低一定程度上反应了各国航空航天及智能控制领域的实力和水平。从2004年以来，我国已连续举行了2届中国空中机器人大赛（国际比赛1990年开始），通过比赛，进一步促进了国内对高校自动控制和航空航天方面科技活动的开展。1.无人机结构参数无人机一般由机身、姿态控制、导航控制、任务控制及起降系统等组成。空中机器人比赛对飞行器的要求类似于小型无人侦察机。首先，飞行器需有足够的载重能力，以保证控制模快、信息采集系统和任务设备的携带；其次，外形设计合理，以保证飞行稳定和对各种气流有较好的适应性；第三，能完成比赛任务和执行其他特定的任务。为此，我们研制了5kg级小型无人飞机，并自主设计了飞行姿态控制系统、导航控制系统、起降系统、数据链与任务控制系统，以实现沿预设航点自主飞行，并进行自主起降和目标识别。该机主要结构参数如下：机长:1350mm翼展:1500mm升力面积：38dm2发动机：46级二冲程甲醇内燃机油箱250cc舵机：4个标准舵机遥控：PCM1024数字比例遥控（含有增程）。机体结构采用上单翼、上反角、大舵面、前置发动机，对滚转、俯仰、偏航(简称PRY)三个转动自由度设置控制面，实现精确控制，提升飞行品质，飞行器设置水平尾翼、垂直尾翼、副翼和襟翼，并设计了弹射起飞和伞降系统，可适应多种气象环境的飞行需要。2．飞行数据链设计小型无人机数据链主要包括数据采集与传输、目标识别与处理等部分。其中目标识别与处理功能由软件完成，数据采集与传输系统主要由CCD摄像机、视频无线传输模块、可编程视频采集卡等部分组成，用于搜寻和识别大赛组委会指定目标或完成其他指定的任务。2.1数据采集与传输图像采集与传输流程如图1所示。CCD摄像机图1.图像采集及传输流程图2捕捉地面目标、采集图像，并将标准复合视频信号传输给无线视频传输模块发射端，发射端使用2.4GHz频段发射信号，由视频传输模块的接收端将信号转为标准复合视频信号，并传输给视频采集卡，经采集卡A/D转换为数字视频流供地面站程序使用，同时将单帧图像存储以进行目标识别[2]。摄像机采用1/3SONYCCD，信噪比大于48dB，可在-10℃~+50℃范围正常工作，输出标准复合视频信号，根据飞行高度可选用12mm或16mm镜头。视频无线传输模块发射端发射功率为2W，可传输一路复合视频/音频信号，天线传输距离大于3km。视频卡采用具有SDK开发模块的可编程视频采集卡，该卡支持Windows即插即用(PNP)，每秒可达30帧，显示分辨率为640x480，动态捕捉影像以静态图像方式存盘，支持BMP、JPG、GIF、PCX、TIF等多种格式，提供动态AVI影像捕获，兼容WindowsVFW软件架构和WDM模式。2．2目标识别与处理图像识别与处理算法流程如图2所示。GPS定位模块采用NMEA0183格式输出,全屏蔽封装，12通道(并行)，可同时跟踪12颗卫星，定位精度15m，具备优良的抗电磁干扰特性。本次空中机器人比赛要求之一是实现对指定目标的搜寻、识别与计数。因此，要求无人机能携带摄像机与通讯设备，自动搜索图像，并随机携带摄像机与通讯设备，对图像进行实时处理，并结合GPS数据和图像数据进行目标识别、位置计算和不同目标数量的统计等。3.控制系统硬件设计自主飞行控制系统是小型无人飞机的核心部分，它主要担负数据采集、控制律计算、航线控制、任务的执行与管理、紧急情况处理、起飞降落等重要飞行任务的执行，因此，飞行控制系统的性能直接关系到空中机器人的应用范围及任务能否完成[3]。3.1飞控系统特点与常规飞行控制系统相比，小型无人机飞行控制系统不仅要求飞机及控制系统各部件不仅体积小、重量轻、功耗低、集成度高，而且是在无人参与的情况下控制飞行器的姿态、速度和稳定性。因此，无人机对数据通信实时性具有较高要求，对飞控系统的动态特性和鲁棒性具有较高要求。本无人机将飞行姿态控制与导航控制分开，以降低导航系统的复杂度，提高飞行控制的可靠性。为实现稳定和可靠的自主飞行，在控制系统硬件设计上采取了许多相关措施，如PCB板上元器件按功能分区，就近布局，并采取了滤波技术、隔离技术和屏蔽技术，以减小电磁干扰。3.2红外飞行姿态控制根据小型无人机的特点，姿态控制可采用陀螺与角速度传感器组、或红外传感器组等方式，为降低费用，本系统采用红外姿态传感器装置实施姿态（即俯仰、横滚稳定性）控制。飞行姿态稳定控制系统主要由红外传感器组、GPS和信号处理与控制设备等组成。由于地面红外辐射强度远大于天空，使用一对反向安装的红外传感器就可确定一个轴向相对于地平面的倾斜。对于无人飞行器，只须安装前后、左右两对红外传感器，即可通过测量两对不同传感器之间的红外辐射信号差作为横滚、俯仰两个轴向相对地面稳定性控制的依据。安装于机身外的四个红外传感器分别指向前、后、左、右四个方向，测出四个方向的红外辐射信号，通过数据线缆传至信号处理与控制设备，该设备对接收到的信号进行A/D转换，然后送入控制系统。控制单片机通过对红外辐射强度信号差进行处理，获取飞行姿态信息，图2.图像处理算法流程图3并以此为依据向副翼、升降舵舵机发出控制指令，从而实现无人机的水平、平稳飞行。3.3导航控制小型无人机通常采用GPS方式导航[4]。由于采用了独立的姿态控制系统，导航控制工作量大大减轻。导航系统硬件结构如图3所示，它主要负责GPS信息与电子罗盘信息采集，坐标转换，飞行控制策略确定及控制任务执行等。执行任务前，需将航点坐标、任务点坐标、任务点半径、允许飞行高度等飞行数据存入单片机Flash。在控制过程中，采用GPS和电子罗盘获取位置、高度及航向等信息以确定控制策略。进行正常数据采集时，单片机先采集GPS信息，每隔20ms从NMEA0183格式字符串中获取一次信息，并转换为指定的数据格式，再切换至电子罗盘数据，进行同样的操作，从而得到进行一次飞行状态判断所需的有效数据，进入导航计算状态。当导航计算完成后，切换回数据采集状态，开始下一次采集，如此循环直至接到其他控制命令。在本次比赛任务强调通过航点及目标点，对航线无特别要求。因此，导航策略的制定并未采取始终紧贴航线的方法，而采用了机头始终指向下一航点策略。根据GPS所获取的飞机当前坐标、目标点坐标，电子罗盘获取的飞机航向与目标航向的偏差角及象限等数据计算航向修正指令，并发往舵机控制系统。完成此计算后，切换至数据采集状态，等待下一组数据。舵机控制由MCU3完成，如图4所示。飞行器静态调试后，将舵机方向、中立位置及微调范围等数据存入单片机Flash，以实现无人机对飞行任务的自动控制。当接收到来自航线计算机发出的控制指令后，由单片机产生对应的PWM信号发往控制舵机及任务舵机，并在执行下一次控制指令之前维持输出波形。自动/手动切换控制由MCU2完成，根据不同的天气状况、任务需求、起降条件以及自动飞行出现意外时可由遥控发射机在自动/手动控制状态自由切换，切换可在275ns内完成，同时，MCU2还负责手控任务命令的执行。若切换到手动状态，则所有飞行控制舵机及任务舵机均处于遥控发射机直接控制之下。4.起降系统当无人机在实施反恐、紧急搜救、海上侦察等任务时，往往难以具备滑跑起降的条件，因此，设计弹射和伞降系统可以降低对起降场地的要求、提高小型无人机的使用范围。4.1弹射起飞系统弹射系统主要由弹射装置构成，采用上下四轨道设计方案，轨道长2米。为满足对5Kg及以下飞机的弹射起飞要求，弹射系统的弹射力应大于800N。弹射装置采用可在轨道上自由运动的小车承载飞机，轨道采用V形槽，使在上面滚动的小轮能够自定心，通过上下两辆小车夹紧轨道，以保证小车在高速运行中会脱离轨道。通过对弹射架进行有限元分析，在工作状态下弹射架的最小安全系数为4.83，为保证实现弹射过程的安全性与可靠性，研制过程中对弹射架进行了大量的模拟受力实验，其应力、变形及安全性试验结果均满足使用要求。4.2着陆系统图3.导航控制系统硬件结构图4.自动/手动切换和舵机控制硬件结4为实现伞降着陆，无人机机身中后部设计有模块化结构伞舱。在自动控制状态，飞越最后一个航点时，导航控制系统将向舵机控制单片机发出降落指令，由舵机控制单片机控制舵机关闭发动机油门并打开伞仓；在手动控制状态，则可由遥控发射机直接控制打开伞仓。设计降落伞时，应充分保证在满足降落伞重量、体积、开伞力和着陆速度等性能要求的前提下，使阻力系数尽可能大，以实现飞机的安全着陆。着陆速度Vz计算公式如下：AsCsGwGsVz••+=ρ21Gs伞重量，Gw悬挂物重量，As伞展开面积，Cs阻力系数考虑到机载电子设备的安全性，伞降系统的设计速度为4.6m/s。研制过程的大量飞行实验表明，弹射起飞装置具备飞行所要求的动力学性能，提高了起飞着陆的场地适应性。5.任务管理与执行无人机能以自动/手动方式通过数字信号完成任务控制。任务控制包括电子设备电源控制、微型无制导火箭电子点火控制、目标识别、开伞、定点空投等任务，并可根据任务需要设计其他任务控制模块。任务管理与飞行控制系统主模块流程如图5所示，软件主模快主要完成RAM、D/A、串口、DI/DO、单片机外围等方面的初始化，A/D测试与采集，状态信息，通信控制，航向实时计算，导航数据实时处理、参数设置、紧急情况处理以及任务执行等功能。数据量大、多功能、实时性高是自主飞行控制系统的主要特点。除硬件设计中所采取的措施之外，在设计数据链与飞控系统软件时还采用了软件定时监控及容错技术，检测系统运行状态，并采用了软件余度技术和自恢复技术，保证在软件意外故障时重新恢复无人机故障前的运行状态。6.结束语本方案的创新点是根据小型空中机器人的结构特点、比赛任务和应用需求，实现了数据链和飞行控制系统，通过将飞行姿态、导航和任务控制分解有效降低了飞控系统的复杂度，提高了飞行控制的稳定性和可靠性，完全实现了空中机器人的自主飞行，并可根据任务要求搜索和识别指定的目标。由于设计了弹射与伞降系统，飞行训练和比赛中均表现出良好的场地适应性和自主飞行性能。参考文献：[1]古月徐,杨忠,龚华军.基于DSP的飞行控制器的设计[J].自动化技术与应用.2005,24(2)28~32.[2]董阳择,许志祥.基于H.324的摄像机跟踪监控系统设计[J].微计算机信息,2006年4期(上),63~65.[3]郭锁风,申建章,吴成富.先进飞行控制系统[M].北京.国防工业出版社,2003.[4]严晞隽,高金源,屠巴宁.小型无人机水平导航研究[J].飞行力学,2000,18(4):24~27.[5]肖永力,张琛.微型飞行器的研究现状与关键技术[J].宇航学报,2001,22(5)26~32.图5.任务管理与飞行控制软件主模快流程图5DesignofMini-UnmanedAerialVehiclesData-link&AutonomousFlyingControlSystemCollegeofInformationEngineering,BeijingTechnologyandBusinessUniversity,Beijing100037,China.ChenTianhua,GuoPeiyuan,ZhouYing,LuSihan,AnPengAbstract:Introducedthecomponen