無人機飛行與拍攝穩(wěn)定性影響因素的探究

魏秀卓，馬瑞，張晉東北師范大學(xué)人文學(xué)院

無人機飛行與拍攝穩(wěn)定性影響因素的探究

魏秀卓，馬瑞，張晉東北師范大學(xué)人文學(xué)院

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，無人機產(chǎn)業(yè)也迅速發(fā)展。在航拍、地理勘測、通訊及其他領(lǐng)域中越來越多的出現(xiàn)無人機的身影。對于無人機，他并不需要有人駕駛，我們可以通過遠程操控來實現(xiàn)某些特定的功能，無人機具有飛行高度高，可攜帶外接設(shè)備等一系列優(yōu)點。無人機因其自身優(yōu)點以及高性價比等優(yōu)勢吸引了人們的高度關(guān)注，并且在發(fā)展的過程中取得了巨大突破，但其也有一些局限性以及缺陷，本文針對飛行器無人機穩(wěn)定性的因素進行了探討。

無人機；飛行器；穩(wěn)定性

一、飛行控制器中PID值的自動調(diào)整參數(shù)和人為調(diào)整參數(shù)對無人機穩(wěn)定性的影響

在無人機飛行穩(wěn)定性的影響因素中，飛行控制器是最為重要的因素之一，飛行控制器中主要的參數(shù)為PID值。而對PID值的調(diào)節(jié)可以分為自動調(diào)整和人為調(diào)整。人為校準PID值難度較大，需要豐富的經(jīng)驗與長時間的無人機飛行技巧，而自動調(diào)整參數(shù)雖然很便捷，但是準確性不高，容易造成偏差。PID的核心主要是為了計算輸入和輸出的信號誤差，從而進行調(diào)整，在實際的飛行過程中，溫度、氣壓等也會影響PID的自動調(diào)整。在這里我們提出利用計算機模擬飛行過程，將多組模擬飛行參數(shù)輸入飛行控制器中，在實際飛行過程中，飛行控制器調(diào)用之前模擬飛行實驗的PID值，直到找到最佳、偏差最小的PID值。這樣的人為調(diào)整參數(shù)的方法，并不是最快捷的方法，因為控制器現(xiàn)有的硬件并不能計算出來自己飛行最穩(wěn)定的值，那么我們利用IntelRealsense處理器，對處理器進行算法編寫，讓處理器能夠監(jiān)督飛行控制器進行監(jiān)督學(xué)習(xí)，在每次飛行中，不斷的糾正自己的PID值，直到計算出最佳的PID值。這樣的純?nèi)斯ぶ悄艿姆椒ǎ憬荨⒏咝В⑶掖蟠蟮目s短了實驗的周期。

二、無人機螺旋槳引起抖動造成的拍攝不穩(wěn)定處理方法

無人機的抖動一般由飛機螺旋槳的轉(zhuǎn)動引起，而這種抖動都是有規(guī)律的抖動，可由BER測試儀進行誤碼率測試，然后用抖動分析儀來隔離誤差源。計算出抖動的頻率后，利用示波器進行規(guī)律分析，判斷出螺旋槳最高轉(zhuǎn)速和最低轉(zhuǎn)速時的最大抖動值和最小抖動值，利用CCD防抖技術(shù)，將CCD加裝在可以移動的平臺上，在平臺有輕微顫抖時，CCD會根據(jù)輸入的最大抖動值和最小抖動值計算出足以抵消抖動的移動量。接下來，在飛行控制器中加裝CCD防抖組件，將CCD防抖組件和陀螺儀相連接，利用計算機計算出的抖動頻率輸入在CCD和陀螺儀組成的防抖裝置上，在模擬飛行條件下進行模擬飛行，造成最大的抖動環(huán)境和最小的抖動環(huán)境，測試此時無人機的抖動是否有減少，在最后的計算機模擬實驗中，利用CCD防抖技術(shù)之后，飛機的抖動頻率發(fā)生在一個可控制范圍內(nèi)。

三、無人機在飛行過程中通過自我保護來確保拍攝的穩(wěn)定

無人機在飛行過程中由于相機的視角并沒有人眼的視角廣，并且無人機無法感知周圍的物體，在飛行過程中極易碰撞到物體，利用IntelRealsense處理器，在無人機的四周安裝紅外線測距傳感器，傳感器與IntelRealsense處理器連接，在處理器中利用計算機寫出最小距離的躲避算法，連接傳感器并模擬無人機飛行，進行試驗，為防止數(shù)據(jù)丟失，最后把試驗的數(shù)據(jù)保存在飛行控制器的存儲芯片中，當無人機處理器中的存儲芯片發(fā)故障時，傳感器可以調(diào)用飛行控制器中的存儲器來執(zhí)行數(shù)據(jù)操作。

四、無人機拍攝云臺在無人機傾斜與俯仰時的自動調(diào)平技術(shù)

無人機在轉(zhuǎn)向時會發(fā)生傾斜和俯仰，這時會對相機的拍攝造成成像影響，而成像的準確性對于3D建模有著很高的要求。這時的傾斜和俯仰與飛機螺旋槳造成的抖動性質(zhì)不一樣，這種傾斜和俯仰角速很大，不是CCD防抖組件可以調(diào)節(jié)的，這時我們采用兩軸的云臺進行調(diào)節(jié)。

圖1 兩軸云臺調(diào)節(jié)

這樣的兩軸無刷云臺上部分采用PCB電路板，在PCB上裝有陀螺儀和加速度計，有傾斜軸和俯仰軸，當飛機進行左右移動時，加速度計和陀螺儀會計算出傾斜值，并且傳給傾斜軸，傾斜軸會朝反方向移動相同值，以保持無人機平衡，俯仰軸亦是如此。一般的陀螺儀和加速度計校準方法采用的是手動校準，手動校準的誤差值較大，我們采用計算機算法進行校準，首先利用模擬實驗進行模擬拍攝，對拍攝出來的圖像進行水平分析，利用傳感器輸入圖像，將圖像轉(zhuǎn)化為適合計算機的處理表達式，對現(xiàn)有的圖像進行算法分解，計算出該區(qū)域拍攝時的水平誤差值，并將此值輸入云臺的加速計和陀螺儀中進行校準，反復(fù)多次，直到拍攝的圖像為最佳。這種水平校準的方式尚屬首例，但是可以精確拍攝出地形地貌。

五、在抗風(fēng)性中，無人機俯仰與傾斜最大角度時的自我調(diào)節(jié)

利用卡爾曼濾波器濾波器與陀螺儀值相結(jié)合的方式，對飛機的最大傾斜角度和最大俯仰角度進行優(yōu)化，利用MATLAB的算法計算出無人機在最大抗風(fēng)能力時PID的數(shù)值，再結(jié)合卡爾曼濾波器設(shè)計出帶有卡爾曼濾波器和陀螺儀相結(jié)合ApmWB3.11飛行控制器，在模擬器實驗數(shù)據(jù)表明，這種相結(jié)合方法設(shè)計出來的飛行控制器最為穩(wěn)定，并且反應(yīng)速度最快，在大風(fēng)中的穩(wěn)定時間較長，它可以隨著風(fēng)力的大小進行自我調(diào)節(jié)并且自我調(diào)節(jié)的數(shù)值最為優(yōu)化。

結(jié)束語

無人機的快速發(fā)展會為當今社會帶來極大的便利，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，無人機的應(yīng)用、研究、發(fā)展都將會逐步加快。本文主要針對無人機在飛行和拍攝過程中造成其不穩(wěn)定性的因素進行了探討。在實際應(yīng)用過程中可能還會存在其它一些造成不穩(wěn)定性的因素，現(xiàn)提出的一些方法也存在一些不足，還希望在未來的工作中能逐步改進。

[1]謝榛.基于無人機航拍圖像的室外場景三維重建技術(shù)研究，6-9頁.

[2]李文慧,楊斌等.無人機遙感在三維地形建模中的應(yīng)用初探, 3-5頁.

[3]劉歌群.無人機飛行控制器設(shè)計及檢測與控制技術(shù)研究，4-6頁.

[4]郝恩敬，肖前貴，李志宇.無人機飛行控制器硬件設(shè)計,3-4頁.

[5]冀曉萌，董朝軼，李健，閆放.基于H2最優(yōu)控制的小型無人機飛行姿態(tài)控制器設(shè)計.