無人機自主控制等級及其系統結構研究

邵丹陽　張黎　劉丹　張海昕

【摘 要】隨著人工智能的不斷發展，越來越多的領域實現了無人化操作，例如，無人化工廠、自動駕駛汽車以及無人機?，F有的人工智能技術通常廣泛應用于計算機領域，盡管在工業應用領域也有實現了相關的應用，但僅僅局限于人工干涉下的自主控制，無法真正實現機器的自主控制。在無人機控制領域，對控制系統的自主控制和穩定性要求極為嚴格，因此，對無人機的控制系統中的控制等級劃分與控制系統的結構設計是困擾科研人員的一個棘手的問題。本文針對無人機控制系統的控制等級劃分和控制系統結構的設計進行了深入研究，并提出了相應的方法和策略，對未來無人機控制領域的研究具有一定的指導意義。

【關鍵詞】無人機；自主控制；等級；系統結構

中圖分類號： V249.1 文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2018）08-0085-002

【Abstract】With the continuous development of artificial intelligence， more and more fields have achieved unmanned operations， such as unmanned chemical plants， self-driving cars， and drones. The existing artificial intelligence technology is generally widely used in the computer field. Although there are also related applications in the industrial application field， it is only limited to the autonomous control under artificial intervention， and can not truly realize the autonomous control of the machine. In the field of drone control， the requirements for autonomous control and stability of the control system are extremely stringent. Therefore， the division of the control level in the control system of the drone and the structural design of the control system are thorny issues that plague scientific researchers. This dissertation studies deeply the control level of UAV control system and the design of control system structure， and puts forward the corresponding methods and strategies. It has certain guiding significance for the future research of drone control field.

【Key words】Drone Autonomous Control Level System structure

0 導言

無人機通常工作在復雜和未知的環境中，這要求無人機必須具有很強的適應各種復雜環境和自主學習、控制的能力。從現有的技術條件和研究現狀來看，無法真正實現無人機在復雜和未知環境下的自主控制，尤其是針對在出現異常狀況下的自主控制，這是現階段智能控制領域的一個難點，同時也是科研人員未來研究的重點方向。隨著電子科技、人工智能、微機技術、傳感器等相關技術的快速發展，未來無人機的控制必將向智能化、自主化、網絡化、小型化的方向發展。

在無人機的智能控制中，控制系統的結構和控制系統的控制等級的劃分關系著無人機的操控性能和適應復雜環境的能力，在無人工干預的情況下按照人的要求實現相應的功能，完成特定的任務。由于無人機的控制涉及多個學科，例如，傳感器技術、計算機科學技術、微機原理、控制工程、智能算法等多個領域的知識。研究無人機的控制首先需要將人的思想“移植”給無人機，使無人機按照人類的方式處理遇到的復雜問題，根據遇到的不同環境做出適當的控制決策，是無人機領域的重點研究方向。因此，研究無人機控制系統的結構和控制系統的控制等級的劃分對于無人機控制領域具有十分重要的意義。

1 智能感知

無人機具備人的思考能力的前提條件是必須具備對環境的感知能力，如人在走路時發現路面上有一條溝壑，就會繞過溝壑繼續前行，在這個過程中，人首先通過眼睛發現路面有問題，眼睛獲取的信息傳送至大腦，大腦對收到信息作出判斷，并將判斷的結果傳送至人的身體，通過身體的協調動作執行大腦發出的“繞路走”的指令。與上述流程類似，無人機的控制系統在工作過程中的控制流程也是如此。首先，無人機上安裝的各類傳感器獲取外界環境中的各類信息，并將信息傳送至無人機的CPU中，CPU經過對信息的處理、融合、計算，最終得出結論，并根據得出的結論，將控制信息發送至各個執行部件，實現自主控制。

圖1 無人機感測系統示意圖

如圖1所示的無人機智能感知系統包括傾角傳感器、磁傳感器、距離傳感器、溫度傳感器、加速度傳感器等。慣性傳感器可以結合GPS模塊控制飛行的路徑和飛行方向；磁傳感器與傾角傳感器結合使用可以測量無人機的飛行姿態；距離傳感器可以探測無人機周圍是否存在障礙物，防止無人機與外界環境中的物體發生碰撞；溫度傳感器可以測量無人機所處環境中的溫度，由于上述各個傳感器的測量值的精度與溫度存在很大的關系，因此，需要根據溫度傳感器的數據進行溫度誤差補償，保證各類測量數據的精確性。加速度傳感器廣泛應用于航空航天領域，其可以測量周圍空氣的流速、無人機的加速度、高度等信息。

2 控制等級劃分

圖2 無人機指令執行控制等級劃分示意圖

由于無人機控制系統較為復雜，如果把所有的數據信息和控制指令全部中央處理器控制，會造成控制系統混亂結構不清晰，各種信息和數據復雜錯亂，既影響了無人機維護和管理的便捷程度，由降低了無人機CPU的計算和處理速度。因此，根據無人機控制系統的控制流程和控制特點，把無人機的控制系統劃分為如圖2所示的控制等級示意圖。

由圖2可以看出，無人機的控制系統主要由一級控制系統中的任務系統、數據處理系統和協同作業系統組成，任務系統、數據處理系統和協同作業系統又分別由其各自子系統構成，經過若干級的劃分，最終由無人機系統中底層的執行單元負責控制系統指令執行的任務。無人機最重要的功能就是根據人的需要執行任務，因此，在控制系統中必須對無人機設置任務系統，任務系統中包含無人機所需執行的任務信息。任務系統的主要職責是根據設計人員的要求，把無人機在執行任務時所需獲取的信息的指令下發到各個傳感器中，傳感器根據任務系統的控制獲取各類數據信息，并把相應的信息傳送至任務系統的數據存儲區中，保證任務系統可以根據設計人員的要求采集相應的數據。

數據處理系統的任務是根據傳感器采集的數據信息進行實時處理，并根據數據處理結果把數據處理后的執行命令下發到無人機的各個執行件中，保證無人機的各個執行件按照技術人員的設計和數據處理系統對數據的處理結果實時控制無人機按照設定的模式運行，保證無人機的運行不受外界環境的干擾；數據處理系統是無人機自主控制的核心內容，無人機自主控制的能力與數據處理的能力和速度息息相關，因此在進行無人機系統等級劃分的時候，數據處理系統作為主要的功能模塊與任務系統處在一級。

無人機的運行僅僅由一個或幾個傳感器的控制無法實現其控制要求，因此，對于整個無人機的控制系統來說，必須由協同控制系統來統一調配各個傳感器和運動部件，才能使無人機按照預期的目標運行。

3 控制結構設計

傳感器將無人機系統采集的所有數據經子系統、主系統，最終傳送到無人機的主控制系統，主控系統對數據處理后把處理結果傳送給各個子控制系統，子控制系統再驅動各個運動部件運行，實現無人機的正常運行。隨著傳感器技術的快速發展，越來越多的多功能、高精度的傳感器作為無人機的“器官”被應用在無人機上，例如，有磁力計和傾角傳感器組成的無人機姿態檢測模塊的精度可以達到0.1度，采集的數據精確，則無人機的控制精度就相應的精確。此外，隨著伺服控制技術的快速發展，越來越多的小型伺服電機和馬達作為無人機的執行系統為無人機的運行提供可靠的執行力。

無人機的控制系統結構主要有傳感器組成的感測模塊、中央處理模塊和各個運動部件組成的執行模塊構成。隨著單片機技術的發展ARM芯片、DSP芯片等各類高端控制芯片廣泛作為無人機的中央處理系統應用在無人機的控制系統中，中央處理器的運算速度、存儲量、運算能力關系著無人機的控制性能。由于無人機需適應復雜的環境，其控制算法對無人機的響應速度有十分重要的影響，傳統的PID算法已不能滿足現在無人機的控制要求，在無人機的控制系統中必須融入人工智能算法，如神經網絡算法、蟻群算法等高級算法，才能實現無人機的自主智能控制。

4 結束語

本文通過對無人機的自主控制系統等級的劃分和控制系統的結構設計進行了詳細的分析、介紹，并提出了相應的技術方法和實施方案，隨著國內無人機控制技術的快速發展，無人機產業的規模越來越大，各個科研單位、公司、高校以及相關的技術人員對無人機的研究會更加深入，無人機的控制系統將會更加完善。

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