探究小型無人機的航電系統相關設計

余蘭 謝瑞朋

摘要：隨著科學技術的不斷發展進步，小型無人機的發展越來越快，其應用也越來越廣泛。航電系統在小型無人機能夠實現無人自主飛行中發揮著至關重要的作用。本文主要通過介紹小型無人機航電系統的主要構成、機載傳感器以及控制飛行的計算機的方案設計以及分析討論了整個航電系統的可靠性等方面對小型無人機的航電系統的設計做出了研究和分析。

關鍵詞：小型無人機；航電系統；相關設計；

小型無人機由于具備飛行靈活、體積小、不會造成人員損傷等方面的優點，其在生活中被應用的越來越廣泛，比如：地震災區勘探、巡視邊境、交通檢查、通訊檢查、噴灑農藥等等警用、民用以及軍用的各個方面。航電系統是小型無人機能夠自主飛行的基礎部件也是必不可少的部件。小型無人機由于受到載重能力以及具體成本的影響，其對自身的航電系統在體積大小、能耗多少以及本身的重量等方面有著極其苛刻的要求。現階段國內外的小型無人機的航電系統大多是采用商業用的通過慣性來測量的單元構成，其優點是可以有效的縮短研發的時間，但是花銷很大而且不利于系統重量的減輕，本文主要介紹的是集成式的小型無人機航電系統，其可以有效的降低成本和減輕自身的重量。

一、小型無人機航電系統的主要構成

小型無人機航電系統的主要構成包括：機載的傳感器、供電系統、控制飛行的計算機、無線數據傳送系統、接收器等。機載的傳感器主要是用來收集無人機在飛行時各種狀態的數據信息。然后傳輸給控制飛行的計算機進行分析處理?？刂骑w行的計算機其主要作用是收集和分析處理各個傳感器的數據信息、給無人機提供飛行導航、進行內部的各種算法的運算以及通過無線數據傳輸模塊跟地面基站之間進行通訊交流。

二、機載傳感器的設計方案

小型無人機實現自主飛行所需要的速度、方向、具體位置、飛行高度、電機的轉速等等的信息都是由飛機上所攜帶的傳感器來提供的。機載傳感器的主要組成部件包括：三軸的陀螺器、三軸的加速度器、三軸的磁力器、高度探測聲納器、GPS定位器和轉速計量器。

無人機飛機所在坐標的飛行實時角速度數據由三個相互正交位置安裝的陀螺器進行測量，由于小型無人機飛行時震動的頻率非常高，因此此處選用的陀螺器應具備非常好的抗震動性能；陀螺器的信號信息則是由下級的控制器進行采集，具體的設計選擇時應考慮其量程范圍和分辨率；同時為了補償陀螺器與加速度探測器之間的溫度差，所選的陀螺器內部最好設置有測量溫度用的傳感器；飛機坐標系中的比力方面的信息是由三軸的加速度測量器來具體測量的，選擇具體型號時應考慮無人機的震動幅度，一般無人機的振幅在1g左右，因此加速度測量器的量程在±6g便足夠。通常情況下，下級的控制器對各個傳感器信息的采集頻率為50HZ，為了避免假的頻率對數據收集的干擾，通常陀螺器和加速度器輸出的模擬信號在經過模擬濾波器將其過濾到8HZ時再進行采樣。

地磁場測量的工作是由航電系統中的磁力器來完成的，這里介紹一種比較實用的磁力器：HMC1021/1022磁力器，其屬于Honeywell旗下的產品，該型號的磁力器工作時可以將地磁場的具體強度大小轉化為毫伏級別精度的差分電壓進行輸出，然后經由AMP04電壓放大器將這個毫伏級的電壓進行放大后進行AD采集，介于AMP04的功能限制，為了防止無線數據傳輸的900MH的電磁噪音的干擾，磁力器測量的信息需要事先進行低通的濾波操作。另外，HMC102/1022將復位和置位功能進行了有效的集成，這樣可以有效的減少甚至消除非線性的誤差、交叉軸之間的影響以及因高強度磁場存在而引起的信息丟失，在系統具體的實現過程中，復位和置位的操作都是在數據信息收集完后進行的[1]。

GPS是用來測量無人機的具體位置、飛行速度和飛行時間的，考慮到功能和成本的要求，這里主要介紹OEM4 G2L和Superstar II兩種系統模塊，這兩種系統模塊之間可以借助與連接板來實現互換，OEM4 G2L系統模塊可以實現高定位精度和高機動性能的飛行，而在對成本要求較高的情況下則可以選用Superstar II系統模塊。

高度測量聲納器可以進行無人機高度的精確測量，主要用于無人機的起飛以及落地階段，這里主要介紹SRF08聲納高度測量器，其具備重量輕、能耗低成本小的特點，同時它的精度可以達到0.01m的分辨率。我們需要注意的是，在存在復雜的反射平面的特殊場合比如多草地，聲納高度測量器會出現由于反射面多而導致反射信息復雜而產生檢測誤差的情況，現如今，比較好的解決方案是對聲納發射的信息進行降頻操作使其頻率到1HZ左右來達到提高測量信息準確度的目的。

三、控制飛行的計算機

控制無人機飛行的計算機主要由PC104和其下級的具體控制器組成。PC104的主要作用是采集GPS和下級的控制器的數據以及同地面基站之間的通訊交流，實現無人機飛行的導航運算、飛行控制運算和具體的飛行軌跡運算并將信息傳遞給下級的控制器，從而實現對無人機的飛行掌控。無人機飛行控制的計算機就相當于無人機的大腦，要實現無人機的準確飛行，就需要控制計算機準確的計算飛行路徑，這需要其具備非常高的處理運算能力，這里介紹SCM/SPT2C PC104系統模塊做為無人機的飛行控制計算機。這個PC104系統模塊的速度可以達到300兆赫茲，它將128兆的RAM、六個RS232連接口和32兆的DOC集成在一起，可以實現對無人機的實時性控制。

四、系統的可靠性分析

小型無人機能否實現安全的飛行其取決于自身的可靠性，因而我們在進行航電系統的相關設計時必須將可靠性放在首位去考慮。在具體的飛行過程中，機身的震動、電機的溫度等都會影響到電子設備的正常工作，更嚴重的還會導致電子設施的失靈和損壞，為了增加航電系統的可靠性，我們需要做一下的措施：航電系統安裝盒要采用減震措施安裝從而減少震動對信號的影響；主電源與舵機的電源要相互絕對獨立，來減少舵機的工作電流變化對航電系統帶來不必要的干擾；將要傳送的信號實行光耦隔離措施，以保證信號的準確性；介于無線數據傳輸的功率比較大會對其它的電子模塊造成干擾，可以將其安裝在無人機的尾部，使其遠離其它的電子設備。

綜上所述，小型無人機的發展還有很長的路要走，航電系統作為無人機發展的核心部分，我們的設計人員需要加大對其的研究力度，在學習國內外先進的設計理念的基礎上，不斷的發展自身的創新，為我國小型無人機的不斷發展貢獻自己的力量。

參考文獻：

[1]徐玉.微小型無人直升機航電系統設計與實現[A].中國自動化學會控制理論專業委員會.中國自動化學會控制理論專業委員會B卷[C].中國自動化學會控制理論專業委員會：，2011：5.