無人機飛行與拍攝穩定性影響因素的探究

魏秀卓，馬瑞，張晉東北師范大學人文學院

無人機飛行與拍攝穩定性影響因素的探究

魏秀卓，馬瑞，張晉東北師范大學人文學院

隨著科學技術的發展，無人機產業也迅速發展。在航拍、地理勘測、通訊及其他領域中越來越多的出現無人機的身影。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某些特定的功能，無人機具有飛行高度高，可攜帶外接設備等一系列優點。無人機因其自身優點以及高性價比等優勢吸引了人們的高度關注，并且在發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定性的因素進行了探討。

無人機；飛行器；穩定性

一、飛行控制器中PID值的自動調整參數和人為調整參數對無人機穩定性的影響

在無人機飛行穩定性的影響因素中，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為PID值。而對PID值的調節可以分為自動調整和人為調整。人為校準PID值難度較大，需要豐富的經驗與長時間的無人機飛行技巧，而自動調整參數雖然很便捷，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，從而進行調整，在實際的飛行過程中，溫度、氣壓等也會影響PID的自動調整。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輸入飛行控制器中，在實際飛行過程中，飛行控制器調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。這樣的人為調整參數的方法，并不是最快捷的方法，因為控制器現有的硬件并不能計算出來自己飛行最穩定的值，那么我們利用IntelRealsense處理器，對處理器進行算法編寫，讓處理器能夠監督飛行控制器進行監督學習，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。這樣的純人工智能的方法，更便捷、高效，并且大大的縮短了實驗的周期。

二、無人機螺旋槳引起抖動造成的拍攝不穩定處理方法

無人機的抖動一般由飛機螺旋槳的轉動引起，而這種抖動都是有規律的抖動，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，利用示波器進行規律分析，判斷出螺旋槳最高轉速和最低轉速時的最大抖動值和最小抖動值，利用CCD防抖技術，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，造成最大的抖動環境和最小的抖動環境，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防抖技術之后，飛機的抖動頻率發生在一個可控制范圍內。

三、無人機在飛行過程中通過自我保護來確保拍攝的穩定

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，為防止數據丟失，最后把試驗的數據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故障時，傳感器可以調用飛行控制器中的存儲器來執行數據操作。

四、無人機拍攝云臺在無人機傾斜與俯仰時的自動調平技術

無人機在轉向時會發生傾斜和俯仰，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不一樣，這種傾斜和俯仰角速很大，不是CCD防抖組件可以調節的，這時我們采用兩軸的云臺進行調節。

圖1 兩軸云臺調節

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，將圖像轉化為適合計算機的處理表達式，對現有的圖像進行算法分解，計算出該區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、在抗風性中，無人機俯仰與傾斜最大角度時的自我調節

利用卡爾曼濾波器濾波器與陀螺儀值相結合的方式，對飛機的最大傾斜角度和最大俯仰角度進行優化，利用MATLAB的算法計算出無人機在最大抗風能力時PID的數值，再結合卡爾曼濾波器設計出帶有卡爾曼濾波器和陀螺儀相結合ApmWB3.11飛行控制器，在模擬器實驗數據表明，這種相結合方法設計出來的飛行控制器最為穩定，并且反應速度最快，在大風中的穩定時間較長，它可以隨著風力的大小進行自我調節并且自我調節的數值最為優化。

結束語

無人機的快速發展會為當今社會帶來極大的便利，隨著科學技術的發展，無人機的應用、研究、發展都將會逐步加快。本文主要針對無人機在飛行和拍攝過程中造成其不穩定性的因素進行了探討。在實際應用過程中可能還會存在其它一些造成不穩定性的因素，現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。

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