以前,搞無人機(jī)的十個(gè)人有八個(gè)是航空、氣動(dòng)、機(jī)械出身,更多考慮的是如何讓飛機(jī)穩(wěn)定飛起來、飛得更快、飛得更高。如今,隨著芯片、人工智能、大數(shù)據(jù)技術(shù)的發(fā)展,無人機(jī)開始了智能化、終端化、集群化的趨勢,大批自動(dòng)化、機(jī)械電子、信息工程、微電子的專業(yè)人材投入到了無人機(jī)研發(fā)大潮中,幾年的時(shí)間讓無人機(jī)從遠(yuǎn)離人們視野的軍事應(yīng)用飛入了尋常百姓家、讓門外漢可以短暫的學(xué)習(xí)也能穩(wěn)定可靠的飛行娛樂。不可否認(rèn),飛控技術(shù)的發(fā)展是這十年無人機(jī)變化的最大推手。
飛控是什么?
飛行控制系統(tǒng)(Flight control system)簡稱飛控,可以看作飛行器的大腦。多軸飛行器的飛行、懸停,姿態(tài)變化等等都是由多種傳感器將飛行器本身的姿態(tài)數(shù)據(jù)傳回飛控,再由飛控通過運(yùn)算和判斷下達(dá)指令,由執(zhí)行機(jī)構(gòu)完成動(dòng)作和飛行姿態(tài)調(diào)整。
控可以理解成無人機(jī)的CPU系統(tǒng),是無人機(jī)的核心部件,其功能主要是發(fā)送各種指令,并且處理各部件傳回的數(shù)據(jù)。類似于人體的大腦,對(duì)身體各個(gè)部位發(fā)送指令,并且接收各部件傳回的信息,運(yùn)算后發(fā)出新的指令。例如,大腦指揮手去拿一杯水,手觸碰到杯壁后,因?yàn)樗珷C而縮回,并且將此信息傳回給大腦,大腦會(huì)根據(jù)實(shí)際情況重新發(fā)送新的指令。
無人機(jī)的飛行原理及控制方法(以四旋翼無人機(jī)為例)
四旋翼無人機(jī)一般是由檢測模塊,控制模塊,執(zhí)行模塊以及供電模塊組成。檢測模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)當(dāng)前姿態(tài)進(jìn)行量測;執(zhí)行模塊則是對(duì)當(dāng)前姿態(tài)進(jìn)行解算,優(yōu)化控制,并對(duì)執(zhí)行模塊產(chǎn)生相對(duì)應(yīng)的控制量;供電模塊對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行供電。
四旋翼無人機(jī)機(jī)身是由對(duì)稱的十字形剛體結(jié)構(gòu)構(gòu)成,材料多采用質(zhì)量輕、強(qiáng)度高的碳素纖維;在十字形結(jié)構(gòu)的四個(gè)端點(diǎn)分別安裝一個(gè)由兩片槳葉組成的旋翼為飛行器提供飛行動(dòng)力,每個(gè)旋翼均安裝在一個(gè)電機(jī)轉(zhuǎn)子上,通過控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)控制每個(gè)旋翼的轉(zhuǎn)速,來提供不同的升力以實(shí)現(xiàn)各種姿態(tài);每個(gè)電機(jī)均又與電機(jī)驅(qū)動(dòng)部件、中央控制單元相連接,通過中央控制單元提供的控制信號(hào)來調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速大??;IMU慣性測量單元為中央控制單元提供姿態(tài)解算的數(shù)據(jù),機(jī)身上的檢測模塊為無人機(jī)提供了解自身位姿情況最直接的數(shù)據(jù),為四旋翼無人機(jī)最終實(shí)現(xiàn)復(fù)雜環(huán)境下的自主飛行提供了保障。
現(xiàn)將位于四旋翼機(jī)身同一對(duì)角線上的旋翼歸為一組,前后端的旋翼沿順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn),從而可以產(chǎn)生順時(shí)針方向的扭矩;而左右端旋翼沿逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn),從而產(chǎn)生逆時(shí)針方向的扭矩,如此四個(gè)旋翼旋轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的扭矩便可相互之間抵消掉。由此可知,四旋翼飛行器的所有姿態(tài)和位置的控制都是通過調(diào)節(jié)四個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的速度實(shí)現(xiàn)的。一般來說,四旋翼無人機(jī)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)主要分為懸停、垂直運(yùn)動(dòng)、滾動(dòng)運(yùn)動(dòng)、俯仰運(yùn)動(dòng)以及偏航運(yùn)動(dòng)五種狀態(tài)。
懸停
懸停狀態(tài)是四旋翼無人機(jī)具有的一個(gè)顯著的特點(diǎn)。在懸停狀態(tài)下,四個(gè)旋翼具有相等的轉(zhuǎn)速,產(chǎn)生的上升合力正好與自身重力相等,即。并且因?yàn)樾磙D(zhuǎn)速大小相等,前后端轉(zhuǎn)速和左右端轉(zhuǎn)速方向相反,從而使得飛行器總扭矩為零,使得飛行器靜止在空中,實(shí)現(xiàn)懸停狀態(tài)。
垂直運(yùn)動(dòng)
垂直運(yùn)動(dòng)是五種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)中較為簡單的一種,在保證四旋翼無人機(jī)每個(gè)旋轉(zhuǎn)速度大小相等的倩況下,同時(shí)對(duì)每個(gè)旋翼增加或減小大小相等的轉(zhuǎn)速,便可實(shí)現(xiàn)飛行器的垂直運(yùn)動(dòng)。當(dāng)同時(shí)増加四個(gè)旋翼轉(zhuǎn)速時(shí),使得旋翼產(chǎn)生的總升力大小超過四旋翼無人機(jī)的重力時(shí),即,四旋翼無人機(jī)便會(huì)垂直上升;反之,當(dāng)同時(shí)減小旋翼轉(zhuǎn)速時(shí),使得每個(gè)旋翼產(chǎn)生的總升力小于自身重力時(shí),即,四旋翼無人機(jī)便會(huì)垂直下降,從而實(shí)現(xiàn)四旋翼無人機(jī)的垂直升降控制。
翻滾運(yùn)動(dòng)
翻滾運(yùn)動(dòng)是在保持四旋翼無人機(jī)前后端旋翼轉(zhuǎn)速不變的情況下,通過改變左右端的旋翼轉(zhuǎn)速,使得左右旋翼之間形成一定的升力差,從而使得沿飛行器機(jī)體左右對(duì)稱軸上產(chǎn)生一定力矩,導(dǎo)致在方向上產(chǎn)生角加速度實(shí)現(xiàn)控制的。如圖2.3所示,增加旋翼1的轉(zhuǎn)速,減小旋翼3的轉(zhuǎn)速,則飛行器傾斜于右側(cè)飛行;相反,減小旋翼4,增加旋翼2,則飛行器向左傾斜飛行。
俯仰運(yùn)動(dòng)
四旋翼飛行器的俯仰運(yùn)動(dòng)和滾動(dòng)運(yùn)動(dòng)相似,是在保持機(jī)身左右端旋翼轉(zhuǎn)速不變的前提下,通過改變前后端旋翼轉(zhuǎn)速形成前后旋翼升力差,從而在機(jī)身前后端對(duì)稱軸上形成一定力矩,引起角方向上的角加速度實(shí)現(xiàn)控制的。如圖2.4所示,增加旋翼3的轉(zhuǎn)速,減小旋翼1的轉(zhuǎn)速,則飛行器向前傾斜飛行;反之,則飛行器向后傾斜。
偏航運(yùn)動(dòng)
四旋翼的偏轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)是通過同時(shí)兩兩控制四個(gè)旋翼轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)控制的。保持前后端或左右端旋翼轉(zhuǎn)速相同時(shí),其便不會(huì)發(fā)生俯仰或滾動(dòng)運(yùn)動(dòng);而當(dāng)每組內(nèi)的兩個(gè)旋翼與另一組旋翼轉(zhuǎn)速不同時(shí),由于兩組旋翼旋轉(zhuǎn)方向不同,便會(huì)導(dǎo)致反扭矩力的不平衡,此時(shí)便會(huì)產(chǎn)生繞機(jī)身中心軸的反作用力,引起沿角角加速度。如圖2.3所示,當(dāng)前后端旋翼的轉(zhuǎn)速相等并大于左右端旋翼轉(zhuǎn)速時(shí),因?yàn)榍罢哐仨槙r(shí)針方向旋轉(zhuǎn),后者相反,總的反扭矩沿逆時(shí)針方向,反作用力作用在機(jī)身中心軸上沿逆時(shí)針方向,引起逆時(shí)針偏航運(yùn)動(dòng);反之,則會(huì)引起飛行器的順時(shí)針偏航運(yùn)動(dòng)。
綜上所述,四旋翼無人機(jī)的各個(gè)飛行狀態(tài)的控制是通過控制對(duì)稱的四個(gè)旋翼的轉(zhuǎn)速,形成相應(yīng)不同的運(yùn)動(dòng)組合實(shí)現(xiàn)的。但是在飛行過程中卻有六個(gè)自由度輸出,因此它是一種典型的欠驅(qū)動(dòng),強(qiáng)耦合的非線性系統(tǒng)。例如,旋翼1的轉(zhuǎn)速會(huì)導(dǎo)致無人機(jī)向左翻滾,同時(shí)逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)的力矩會(huì)大于順時(shí)針的力矩,從而進(jìn)一步使得無人機(jī)向左偏航,此外翻滾又會(huì)導(dǎo)致無人機(jī)的向左平移,可以看出,四旋翼無人機(jī)的姿態(tài)和平動(dòng)是耦合的。
四旋翼無人機(jī)自主飛行的控制
四旋翼無人機(jī)的精確航跡跟蹤是實(shí)現(xiàn)無人機(jī)自主飛行的基本要求。由于四旋翼無人機(jī)自身存在姿態(tài)與平動(dòng)的耦合關(guān)系以及模型參數(shù)不確定性與外界擾動(dòng),因此只有實(shí)現(xiàn)姿態(tài)的穩(wěn)定控制才能完成航跡的有效跟蹤。
在四旋翼無人機(jī)的自主控制系統(tǒng)中,姿態(tài)穩(wěn)定控制是實(shí)現(xiàn)飛行器自主飛行的基礎(chǔ)。其任務(wù)是控制四旋翼無人機(jī)的三個(gè)姿態(tài)角(俯仰角、滾轉(zhuǎn)角、偏航角)穩(wěn)定地跟蹤期望姿態(tài)信號(hào),并保證閉環(huán)姿態(tài)系統(tǒng)具有期望的動(dòng)態(tài)特性。由于四旋翼無人機(jī)姿態(tài)與平動(dòng)的耦合特點(diǎn),分析可以得知,只有保證姿態(tài)達(dá)到穩(wěn)定控制,才使得旋翼總升力在期望的方向上產(chǎn)生分量,進(jìn)而控制飛行器沿期望的航跡方向飛行。而四旋翼無人機(jī)的姿態(tài)在實(shí)際飛行環(huán)境中回受到外界干擾和不精確模型的參數(shù)誤差、測量噪聲等未建模動(dòng)態(tài)對(duì)控制效果的影響。所以,需要引入適當(dāng)?shù)挠^測器和控制器對(duì)總的不確定性進(jìn)行估計(jì)和補(bǔ)償,并對(duì)其估計(jì)的誤差進(jìn)行補(bǔ)償,來保證四旋翼無人機(jī)在外界存在干擾下對(duì)姿態(tài)的有效跟蹤。
四旋翼無人機(jī)的姿態(tài)控制應(yīng)根據(jù)其實(shí)際的工作特性以及動(dòng)力學(xué)模型,進(jìn)而針對(duì)姿態(tài)的三個(gè)通道(俯仰,翻滾和偏航)分別設(shè)計(jì)姿態(tài)控制器,每個(gè)通道中都對(duì)應(yīng)引入相應(yīng)的控制器,其流程如下所示。
此方法可以基本保證每個(gè)通道的實(shí)際姿態(tài)值跟蹤上期望值。但是,在只考慮對(duì)模型本身進(jìn)行控制時(shí),沒有考慮到外部不確定性對(duì)閉環(huán)系統(tǒng)的影響。微小型無人機(jī)在飛行時(shí),由于機(jī)體較小,電機(jī)的振動(dòng)較強(qiáng),很容易受到外界環(huán)境的干擾。因此,整個(gè)通道中必然存在不確定因素,比如模型誤差、環(huán)境干擾、觀測誤差等,這些不確定性將降低系統(tǒng)的閉環(huán)性能。所以在設(shè)計(jì)無人機(jī)控制系統(tǒng)時(shí),必須要考慮系統(tǒng)的抗干擾性能,即閉環(huán)系統(tǒng)的魯棒性。因此需要設(shè)計(jì)一定的干擾補(bǔ)償器對(duì)干擾進(jìn)行逼近和補(bǔ)償,以實(shí)現(xiàn)姿態(tài)角的穩(wěn)定跟蹤。
只有在保證飛機(jī)姿態(tài)可以保持穩(wěn)定才能進(jìn)一步討論如何控制路徑保持穩(wěn)定,在時(shí)間尺度上進(jìn)行分析,飛機(jī)的姿態(tài)角變化的頻率要大于飛機(jī)位置的頻率。所以,針對(duì)軌跡跟蹤應(yīng)當(dāng)使用內(nèi)外雙環(huán)控制,內(nèi)環(huán)控制姿態(tài)角,外環(huán)控制位置。
無人機(jī)飛控系統(tǒng)組成及作用
IMU慣性測量單元
現(xiàn)在的飛控內(nèi)部使用的都是由三軸陀螺儀,三軸加速度計(jì),三軸地磁傳感器和氣壓計(jì)組成的一個(gè)IMU,也稱慣性測量單元。那么什么是三軸陀螺儀,什么是三軸加速度計(jì),什么是三軸地磁傳感器呢,什么是氣壓計(jì)呢?它們?cè)陲w機(jī)上起到的是什么作用呢,這三軸又是哪三個(gè)軸呢?
三軸陀螺儀,三軸加速度計(jì),三軸地磁傳感器中的三軸指的就是飛機(jī)左右,前后垂直方向上下這三個(gè)軸,一般都用XYZ來代表。左右方向在飛機(jī)中叫做橫滾,前后方向在飛機(jī)中叫做俯仰,垂直方向就是Z軸。陀螺都知道,小時(shí)候基本上都玩過,在不轉(zhuǎn)動(dòng)的情況下它很難站在地上,只有轉(zhuǎn)動(dòng)起來了,它才會(huì)站立在地上,或者說自行車,輪子越大越重的車子就越穩(wěn)定,轉(zhuǎn)彎的時(shí)候明顯能夠感覺到一股阻力,這就是陀螺效應(yīng),根據(jù)陀螺效應(yīng),聰明的人們發(fā)明出的陀螺儀。最早的陀螺儀是一個(gè)高速旋轉(zhuǎn)的陀螺,通過三個(gè)靈活的軸將這個(gè)陀螺固定在一個(gè)框架中,無論外部框架怎么轉(zhuǎn)動(dòng),中間高速旋轉(zhuǎn)的陀螺始終保持一個(gè)姿態(tài)。通過三個(gè)軸上的傳感器就能夠計(jì)算出外部框架旋轉(zhuǎn)的度數(shù)等數(shù)據(jù)。
由于成本高,機(jī)械結(jié)構(gòu)的復(fù)雜,現(xiàn)在都被電子陀螺儀代替,電子陀螺儀的優(yōu)勢就是成本低,體積小重量輕,只有幾克重,穩(wěn)定性還有精度都比機(jī)械陀螺高。說道這,大家也就明白陀螺儀在飛控中起到的作用了吧,它就是測量XYZ三個(gè)軸的傾角的。
那么三軸加速度計(jì)時(shí)干什么的呢?剛剛說道三軸陀螺儀就是XYZ三個(gè)軸,現(xiàn)在不用說也就明白三軸加速度計(jì)也是XYZ三個(gè)軸。當(dāng)我們開車起步的一瞬間就會(huì)感到背后有一股推力,這股推力呢就是加速度,加速度是速度變化量與發(fā)生這一變化時(shí)間的比值,是描述物體變化快慢的物理量,米每二次方秒,例如一輛車在停止?fàn)顟B(tài)下,它的加速度是0,起步后,從每秒0米到每秒10米,用時(shí)10秒,這就是這輛車的加速度,如果車速每秒10米的速度行駛,它的加速度就是0,同樣,用10秒的時(shí)間減速,從每秒10米減速到每秒5米,那么它的加速就是負(fù)數(shù)。三軸加速度計(jì)就是測量飛機(jī)XYZ三個(gè)軸的加速度。
我們?nèi)粘3鲂卸际歉鶕?jù)路標(biāo)或記憶來尋找自己的面向的,地磁傳感器就是感知地磁的,就是一個(gè)電子指南針,它可以讓飛機(jī)知道自己的飛行朝向,機(jī)頭朝向,找到任務(wù)位置和家的位置。氣壓計(jì)呢就是測量當(dāng)前位置的大氣壓,都知道高度越高,氣壓越低,這就是人到高原之后為什么會(huì)有高原反應(yīng)了,氣壓計(jì)是通過測量不同位置的氣壓,計(jì)算壓差獲得到當(dāng)前的高度,這就是整個(gè)IMU慣性測量單元,它在飛機(jī)中起到的作用就是感知飛機(jī)姿態(tài)的變化,例如飛機(jī)當(dāng)前是前傾還是左右傾斜,機(jī)頭朝向、高度等最基本的姿態(tài)數(shù)據(jù),那么這些數(shù)據(jù)在飛控中起到的作用是什么呢?
飛控最基本的功能控制一架飛機(jī)在空中飛行時(shí)的平衡,是由IMU測量,感知飛機(jī)當(dāng)前的傾角數(shù)據(jù)通過編譯器編譯成電子信號(hào),將這個(gè)信號(hào)通過信號(hào)新時(shí)時(shí)傳輸給飛控內(nèi)部的單片機(jī),單片機(jī)負(fù)責(zé)的是運(yùn)算,根據(jù)飛機(jī)當(dāng)前的數(shù)據(jù),計(jì)算出一個(gè)補(bǔ)償方向,補(bǔ)償角,然后將這個(gè)補(bǔ)償數(shù)據(jù)編譯成電子信號(hào),傳輸給舵機(jī)或電機(jī),電機(jī)或舵機(jī)在去執(zhí)行命令,完成補(bǔ)償動(dòng)作,然后傳感器感知到飛機(jī)平穩(wěn)了,將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)再次給單片機(jī),單片機(jī)會(huì)停止補(bǔ)償信號(hào),這就形成了一個(gè)循環(huán),大部分飛控基本上都是10HZ的內(nèi)循環(huán),也就是1秒刷新十次。
這就是飛控最基本的功能,如果沒有此功能,當(dāng)一個(gè)角一旦傾斜,那么飛機(jī)就會(huì)快速的失去平衡導(dǎo)致墜機(jī),或者說沒有氣壓計(jì)測量不到自己的高度位置就會(huì)一直加油門或者一直降油門。其次,固定翼飛控還有空速傳感器,空速傳感器一般位于機(jī)翼上或機(jī)頭,但不會(huì)在螺旋槳后邊,空速傳感器就是兩路測量氣壓的傳感器,一路測量靜止氣壓,一路測量迎風(fēng)氣壓,在計(jì)算迎風(fēng)氣壓與靜止氣壓的壓差就可以算出當(dāng)前的空氣流速。
有了最基本的平衡、定高和指南針等功能,還不足以讓一家飛機(jī)能夠自主導(dǎo)航,就像我們?nèi)ツ硞€(gè)商場一樣,首先我們需要知道商場的所在位置,知道自己所在的位置,然后根據(jù)交通情況規(guī)劃路線。飛控也亦然,首先飛控需要知道自己所在位置,那就需要定位的,也就是我們常說的GPS,現(xiàn)在定位的有GPS、北斗、手機(jī)網(wǎng)絡(luò)等定位系統(tǒng),但是這里面手機(jī)網(wǎng)絡(luò)定位是最差的,誤差好的話幾十米,不好的話上千米,這種誤差是飛控?zé)o法接受的,由于GPS定位系統(tǒng)較早,在加上是開放的,所以大部分飛控采用的都是GPS,也有少數(shù)采用的北斗定位。精度基本都在3米內(nèi),一般開闊地都是50厘米左右,因環(huán)境干擾,或建筑物、樹木之類的遮擋,定位可能會(huì)差,很有可能定位的是虛假信號(hào)。這也就是為什么民用無人機(jī)頻頻墜機(jī)、飛丟的一個(gè)主要原因。
GPS定位
GPS定位原理就是三點(diǎn)定位,天上的GPS定位衛(wèi)星距離地球表面22500千米處,它們所運(yùn)動(dòng)的軌道正好形成一個(gè)網(wǎng)狀面,也就是說在地球上的任意一點(diǎn),都有可以同時(shí)收到3顆以上的衛(wèi)星信號(hào)。衛(wèi)星在運(yùn)動(dòng)的過程中會(huì)一直不斷的發(fā)出電波信號(hào),信號(hào)中包含數(shù)據(jù)包,其中就有時(shí)間信號(hào)。GPS接收機(jī)通過解算來自多顆衛(wèi)星的數(shù)據(jù)包,以及時(shí)間信號(hào),可以清楚的計(jì)算出自己與每一顆衛(wèi)星的距離,使用三角向量關(guān)系計(jì)算出自己所在的位置。GPS也定位了,數(shù)據(jù)也有了,這個(gè)信號(hào)也會(huì)通過一個(gè)編譯器在次編譯成一個(gè)電子信號(hào)傳給飛控,讓飛控知道自己所在的位置、任務(wù)的位置和距離、家的位置和距離以及當(dāng)前的速度和高度,然后再由飛控駕駛飛機(jī)飛向任務(wù)位置或回家。
剛剛我們也說了,GPS能夠測速也能夠測高度,為什么要有氣壓計(jì)和空速計(jì)呢?這就是為了消除誤差,飛機(jī)飛起來是不與地面接觸的,直接接觸的是空氣,假設(shè)飛行環(huán)境是無風(fēng)的環(huán)境,飛機(jī)在地面滑跑加速,加速到每秒20米的速度然后再拉升降舵起飛,這樣GPS測量到的數(shù)值是準(zhǔn)確的,但是要是逆風(fēng)呢,是因?yàn)闄C(jī)翼與空氣相對(duì)的運(yùn)動(dòng)達(dá)到了一定的速度才能夠產(chǎn)生一定的升力讓飛機(jī)起飛,如果在逆風(fēng)環(huán)境下,風(fēng)速每秒10米,飛機(jī)只需要加速到每秒10米就可以正常離地了,如果加速到每秒20米,相對(duì)空氣的速度已經(jīng)達(dá)到了每秒30米,或者說順風(fēng)起飛,風(fēng)速每秒20米,飛機(jī)GPS測速也達(dá)到了20m/s的速度,這個(gè)時(shí)候拉升降舵,飛機(jī)動(dòng)都不會(huì)動(dòng),因?yàn)橄鄬?duì)空氣速度是0米,達(dá)不到起飛條件,必須加速到每秒40米的時(shí)候才能達(dá)到升力起飛。
這就是空速計(jì)的作用,GPS測量的只是地速,剛剛降到,GPS也可以定高,第一GPS定位精度是3米內(nèi),也就是說飛控能感知到的是平面方向的兩倍誤差,信號(hào)不好的話十幾米都有可能,還有GPS不定位的時(shí)候,另外GPS定高數(shù)據(jù)是海拔高度并不是地面垂直高度,所以GPS定高在飛控中不管用。有了GPS飛控也知道飛機(jī)位置了,也知道家的位置和任務(wù)位置,但是飛控上的任務(wù)以及家的位置飛控是怎么知道的呢,這就是地面站的作用。
地面站
地面站,就是在地面的基站,也就是指揮飛機(jī)的,地面站可以分為單點(diǎn)地面站或者多點(diǎn)地面站,像民航機(jī)場就是地面站,全國甚至全球所有的地面站都在時(shí)時(shí)聯(lián)網(wǎng),它們能夠清楚的知道天上在飛行的飛機(jī),并能時(shí)時(shí)監(jiān)測到飛機(jī)當(dāng)前的飛行路線,狀況,以及飛機(jī)的時(shí)時(shí)調(diào)度等。像我們用的無人機(jī)大部分都是單點(diǎn)地面站,單點(diǎn)地面站一般由一到多個(gè)人值守,有技術(shù)員,場務(wù)人員,后勤員,通信員,指揮員等人組成。像玩家一般都是一個(gè)人。
地面站設(shè)備組成一般都是由遙控器、電腦、視頻顯示器,電源系統(tǒng),電臺(tái)等設(shè)備組成,一般簡單的來說就是一臺(tái)電腦,一個(gè)電臺(tái),一個(gè)遙控,電腦上裝有控制飛機(jī)的軟件,通過航線規(guī)劃工具規(guī)劃飛機(jī)飛行的線路,并設(shè)定飛行高度,飛行速度,飛行地點(diǎn),飛行任務(wù)等通過數(shù)據(jù)口連接的數(shù)傳電臺(tái)將任務(wù)數(shù)據(jù)編譯傳送至飛控中,這里就有講到數(shù)傳電臺(tái),數(shù)傳電臺(tái)就是數(shù)據(jù)傳輸電臺(tái),類似我們最和耳朵一樣,好比領(lǐng)導(dǎo)說今天做什么任務(wù),我們接受到任務(wù)并回答然后再去執(zhí)行任務(wù),執(zhí)行任務(wù)的時(shí)候時(shí)實(shí)情況實(shí)時(shí)匯報(bào)給領(lǐng)導(dǎo),這其中通信就是嘴巴和耳朵。
數(shù)傳電臺(tái)就是飛機(jī)與地面站通信的一個(gè)主要工具,一般的數(shù)傳電臺(tái)采用的接口協(xié)議有TTL接口、RS485接口和RS232接口,的不過也有一些CAN-BUS總線接口,頻率有2.4GHZ、433MHZ、900MHZ、915MHZ,一般433MHZ的較多,因?yàn)?33MHZ是個(gè)開放的頻段,再加上433MHZ波長較長,穿透力強(qiáng)等優(yōu)勢所以大部分民用用戶一般都是用的433MHZ,距離在5千米到15千米不等,甚至更遠(yuǎn)。最終達(dá)到的就是飛機(jī)與電腦間的通訊,電腦給飛機(jī)的任務(wù),飛機(jī)時(shí)時(shí)飛行高度,速度等很多數(shù)據(jù)都會(huì)通過它來傳輸。以方便我們時(shí)時(shí)監(jiān)控飛機(jī)情況,根據(jù)需要隨時(shí)修改飛機(jī)航向。
整套無人機(jī)飛控工作原理就是地面站開機(jī),規(guī)劃航線,給飛控開機(jī),上傳航線至飛控,再設(shè)置自動(dòng)起飛及降落參數(shù),如起飛時(shí)離地速度,抬頭角度(起飛攻角,也稱迎角),爬升高度,結(jié)束高度,盤旋半徑或直徑,清空空速計(jì)等,然后檢查飛控中的錯(cuò)誤、報(bào)警,一切正常,開始起飛,盤旋幾周后在開始飛向任務(wù)點(diǎn),執(zhí)行任務(wù),最后在降落,一般郊外建議傘降或手動(dòng)滑降,根據(jù)場地選擇。飛機(jī)在飛行過程中如果偏離航線,飛控就會(huì)一直糾正這個(gè)錯(cuò)誤,一直修正,直到復(fù)位為止。
無人機(jī)飛控系統(tǒng)的主要功能
飛行狀態(tài)
飛控系統(tǒng)主要用于飛行姿態(tài)控制和導(dǎo)航,對(duì)于飛控而言,首先要知道飛行器當(dāng)前的狀態(tài),比如:三維位置、三維速度、三維加速度、三軸角度和三軸角速度等,總共15個(gè)狀態(tài)。由于多旋翼飛行器本身是一種不穩(wěn)定系統(tǒng),要對(duì)各個(gè)電機(jī)的動(dòng)力進(jìn)行超高頻率地不斷調(diào)整和動(dòng)力分配,才能實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定懸停和飛行,所以,對(duì)于航拍無人機(jī)來說,即使最簡單的放開搖桿飛行器自主懸停的動(dòng)作,也需要飛控持續(xù)監(jiān)控這15個(gè)量,并進(jìn)行一系列“串級(jí)控制”,才能做到穩(wěn)定懸停,這一點(diǎn)肉眼看起來很簡單,但飛控系統(tǒng)里面的運(yùn)算其實(shí)是非常復(fù)雜的。
飛控系統(tǒng)最基礎(chǔ)也最難控制的技術(shù)難點(diǎn),其實(shí)是要準(zhǔn)確地感知這一系列狀態(tài),如果這些感知數(shù)據(jù)問題或者有誤差都會(huì)導(dǎo)致無人機(jī)做一些非正常的動(dòng)作。目前,無人機(jī)一般使用GPS、IMU(慣性測量單元)、氣壓計(jì)和地磁指南針來測量這些狀態(tài)。GPS獲取定位、在一些情況下也能獲取高度、速度;IMU主要用來測量無人機(jī)三軸加速度和三軸角速度,通過計(jì)算也能獲得速度和位置;氣壓計(jì)用于測量海拔高度;地磁指南針則用于測量航向。
由于目前傳感器設(shè)計(jì)水平的限制,這些傳感器測量的數(shù)據(jù)都會(huì)產(chǎn)生一定的誤差,并可能受到環(huán)境的干擾,從而影響狀態(tài)估計(jì)的精度。為了保障飛行性能,就需要充分利用各傳感器數(shù)據(jù)共同 融合出具有高可信度的15個(gè)狀態(tài),即組合導(dǎo)航技術(shù)。組合導(dǎo)航技術(shù)結(jié)合GPS、IMU、氣壓計(jì)和地磁指南針各自的優(yōu)缺點(diǎn),通過電子信號(hào)處理領(lǐng)域的技術(shù),融合多種傳感器的測量值,獲得更精準(zhǔn)的狀態(tài)測量。
組合導(dǎo)航
為了提升航拍無人機(jī)的感知能力和飛行性能,除了以上基礎(chǔ)傳感器方案以外,現(xiàn)在主流的無人機(jī)產(chǎn)品都加入了先進(jìn)的視覺傳感器、超聲波傳感器和IMU與指南針冗余導(dǎo)航系統(tǒng)。雙目立體視覺系統(tǒng)可根據(jù)連續(xù)圖像計(jì)算出物體的三維位置,除了避障功能以外還能提供定位與測速。機(jī)身下方的超聲波模塊起到輔助定高的作用,而冗余的IMU和指南針在一個(gè)元件受到干擾時(shí),冗余導(dǎo)航系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)切換至另一個(gè)傳感器,極大提高了組合導(dǎo)航的可靠性。
正是因?yàn)檫@些傳感器技術(shù)的完美融合,無人機(jī)有了智能導(dǎo)航系統(tǒng),拓展了活動(dòng)環(huán)境,并提升了可靠性。使用傳統(tǒng)導(dǎo)航系統(tǒng)的無人機(jī)在室內(nèi)等無GPS的環(huán)境中無法穩(wěn)定飛行,而智能導(dǎo)航系統(tǒng)在GPS信號(hào)良好時(shí),可通過視覺提升速度和位置測量值的精度;在GPS信號(hào)不足的時(shí)候,視覺系統(tǒng)可以接替GPS提供定位與測速,讓無人機(jī)在室內(nèi)與室外環(huán)境中均能穩(wěn)定飛行。
智能導(dǎo)航系統(tǒng)引入了多個(gè)傳感器,數(shù)據(jù)量和復(fù)雜程度大幅提升,獲悉大疆其實(shí)針對(duì)視覺和傳感器對(duì)導(dǎo)航和飛行控制算法進(jìn)行多次系統(tǒng)重構(gòu),增加新的軟件模塊與架構(gòu),全面提升了飛行的性能與可靠性。
控制性能
飛控系統(tǒng)先進(jìn)的控制算法為航拍無人機(jī)的飛行和操控帶來了很高的控制品質(zhì),比如在普通狀態(tài)下的表現(xiàn)是控制精度高,飛行穩(wěn)定,速度快。高速飛行不僅對(duì)動(dòng)力系統(tǒng)有較高的要求,更重要的是飛控要達(dá)到很高的控制品質(zhì)和響應(yīng)速度,除高速飛行以外,飛行器在懸停和慢速控制上也能達(dá)到很高的精度。
另外,在設(shè)計(jì)飛控時(shí),不僅需要考慮到正常飛行狀態(tài)的控制精度,如懸停位置控制精度,姿態(tài)控制精度等,還需要加強(qiáng)了異常飛況的控制品質(zhì)。如在飛行器斷槳、突然受到撞擊、突加負(fù)重或被其他外力干擾后,控制恢復(fù)能力更強(qiáng),魯棒性較強(qiáng),能夠應(yīng)對(duì)很多極端狀況,這對(duì)于飛行安全性來說尤其重要。
故障診斷
在起飛前或飛行過程中,任何微小故障都有可能引發(fā)飛行事故。如果飛控系統(tǒng)能實(shí)時(shí)不斷地進(jìn)行故障監(jiān)控與故障診斷,就能大幅降低事故發(fā)生的概率。飛控系統(tǒng)可以監(jiān)控諸如振動(dòng)、電壓、電流、溫度、轉(zhuǎn)速等各項(xiàng)飛行狀態(tài)參數(shù),并通過這些監(jiān)控特征信號(hào)進(jìn)行故障診斷。但是這些信號(hào)往往是復(fù)雜且沒有明顯規(guī)律的,只有通過對(duì)大量故障數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)挖掘,用深度學(xué)習(xí)技術(shù)建立了飛控故障診斷系統(tǒng),采用模式識(shí)別判定故障發(fā)生的概率,這套系統(tǒng)才能判定從空中射槳到IMU故障診斷等,對(duì)故障進(jìn)行早期預(yù)報(bào),或進(jìn)行應(yīng)急處理,使飛行變得更加安全。
只有最快速監(jiān)測并判定故障,同時(shí)在剎那之間飛控系統(tǒng)采用正確信息進(jìn)行飛行操控,飛行器其實(shí)是在自己“分析并拿主意”。到這時(shí),從某種意義上說,那就是真正的“智能機(jī)器人”。(本文作者:毛富利)