無人機(jī)姿態(tài)檢測(cè)概述

郭家泰

摘 要：隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展與創(chuàng)新無人機(jī)越來越大眾化，無人機(jī)的應(yīng)用范圍更加廣泛。本文結(jié)合時(shí)代背景分析了無人機(jī)的特點(diǎn)以及未來無人機(jī)市場(chǎng)的發(fā)展趨勢(shì)，概述姿態(tài)檢測(cè)的方式以及其對(duì)于無人機(jī)安全飛行的重要性。結(jié)合技術(shù)發(fā)展的外界因素以及應(yīng)用領(lǐng)域?qū)鈮河?jì)做了具體的分析，介紹了氣壓計(jì)的特點(diǎn)以及實(shí)際應(yīng)用時(shí)的軟硬件設(shè)計(jì)并指出了可以改進(jìn)的措施。

關(guān)鍵詞：無人機(jī);姿態(tài)檢測(cè);氣壓計(jì)

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.16.126

隨著時(shí)代的發(fā)展，無人機(jī)在世界各國(guó)興起，其使用方便，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，安全穩(wěn)定的優(yōu)勢(shì)很快使其成為研究的熱點(diǎn)。無人機(jī)通過傳感器感知周邊參數(shù)的變化，通過控制器的運(yùn)算不斷做出決策來改變自身姿態(tài)，從而安全穩(wěn)定的飛行。而在這些傳感器中，氣壓計(jì)又顯得十分重要。

1 無人機(jī)發(fā)展趨勢(shì)以及姿態(tài)傳感器

無人機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域可分為軍用、民用和消費(fèi)三大種類，這三大種類對(duì)于無人機(jī)的傳感器要求有所不同，軍用無人機(jī)要求更高的靈敏度，精確的速度與高度還有智能化的控制設(shè)備。而民用無人機(jī)相比而言要求低很多，速度，高度，行程的精確性與要求都相對(duì)較低，傳感器也無太高要求。消費(fèi)級(jí)無人機(jī)一般用來娛樂和航拍，成本一般不是很高，采用多旋翼。

無人機(jī)的各項(xiàng)技術(shù)向平民化發(fā)展，無人機(jī)產(chǎn)業(yè)化的趨勢(shì)已經(jīng)普及。中國(guó)的無人機(jī)技術(shù)起步得比較早，一直在進(jìn)步和發(fā)展，在城市的空中經(jīng)常可以看到無人機(jī)的身影。國(guó)外已經(jīng)有用無人機(jī)進(jìn)行快遞的發(fā)放等業(yè)務(wù)。這些應(yīng)用都離不開無人機(jī)的姿態(tài)傳感器。無人機(jī)雖然已經(jīng)普及，但是其控制技術(shù)仍然存在難點(diǎn)。飛控系統(tǒng)是無人機(jī)很重要的一部分，要求很高的精確度，而為了更加穩(wěn)定的飛行，那么少不了傳感器發(fā)揮的作用。飛控子系統(tǒng)是無人機(jī)的核心系統(tǒng)，一般包括傳感器、機(jī)載計(jì)算機(jī)和伺服作動(dòng)設(shè)備三大部分，實(shí)現(xiàn)的功能主要有無人機(jī)姿態(tài)穩(wěn)定和控制、無人機(jī)任務(wù)設(shè)備管理和應(yīng)急控制三大類。同時(shí)硬件產(chǎn)業(yè)鏈日趨成熟、硬件成本的下降為無人機(jī)技術(shù)的進(jìn)一步普及創(chuàng)造了機(jī)會(huì)。近幾年來無人機(jī)市場(chǎng)的興起與成本的降低和技術(shù)的成熟有著很大的關(guān)系。6軸、9軸的慣性傳感器也逐漸取代了單個(gè)傳感器，成本和功耗進(jìn)一步降低。另外GPS芯片僅重0.3克，價(jià)格不到5美元。

2 氣壓計(jì)

氣壓計(jì)是根據(jù)托里拆利的實(shí)驗(yàn)原理制成的，用來測(cè)量大氣壓強(qiáng)的儀器。在無人機(jī)中，氣壓計(jì)測(cè)高是利用大氣壓力來表示飛行高度的傳感器。高度是無人機(jī)飛行最基本的參數(shù)，是安全飛行，順利完成各項(xiàng)任務(wù)的基礎(chǔ)。此外對(duì)于高度測(cè)量準(zhǔn)確對(duì)節(jié)約能耗，充分發(fā)揮無人機(jī)功能，飛行平穩(wěn)行也有很大的意義。傳統(tǒng)的氣壓高度計(jì)并不能很好的應(yīng)用于無人機(jī)，一是因?yàn)轶w積大，機(jī)構(gòu)十分復(fù)雜，二是因?yàn)闇y(cè)量的精度達(dá)不到我們的要求。但隨著測(cè)量技術(shù)的不斷發(fā)展，半導(dǎo)體集成電路和壓阻式氣壓傳感器可以高度集成，具備接口簡(jiǎn)單、體積小、穩(wěn)定性高、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、精度和靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)，這些都將大大提高系統(tǒng)的綜合性能，簡(jiǎn)化系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。

氣壓計(jì)特點(diǎn)：

（1）體積小并且便于安裝;（2）測(cè)量的準(zhǔn)確度高;（3）實(shí)時(shí)性高;（4）測(cè)量范圍廣。

因?yàn)閭鞲衅靼l(fā)出來的是模擬信號(hào)，為了避免數(shù)字信號(hào)的干擾，我們用濾波電路進(jìn)行改良，經(jīng)過濾波后的信號(hào)再通過調(diào)幅，可以得到我們需要的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)。此外，由于存在不同程度的噪聲干擾，我們需要考慮氣壓計(jì)輸出信號(hào)的精度問題，將經(jīng)過濾波，調(diào)幅后的電信號(hào)和一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)電壓信號(hào)經(jīng)過儀用信號(hào)放大器進(jìn)行差分放大，再送入微控制器進(jìn)行處理，擴(kuò)大了信號(hào)的范圍并且提高了系統(tǒng)的靈敏度。同時(shí)無人機(jī)姿態(tài)傳感器的氣壓計(jì)有儀器優(yōu)勢(shì)，其運(yùn)行時(shí)能耗很低，減少了溫漂，儀器內(nèi)部的精密程度讓使用者很滿意。除此之外，儀用放大器內(nèi)部擁有專用的濾波器，可以很大程度上消除噪聲。

其軟件設(shè)計(jì)也很有價(jià)值：

AD轉(zhuǎn)換：AD轉(zhuǎn)換可以對(duì)采集到的信息進(jìn)行初步的處理并篩選。

數(shù)據(jù)處理：對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波，限幅等操作以獲得我們需要的信號(hào)。

程序監(jiān)視：為了保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性以及運(yùn)行狀態(tài)，我們需要有遠(yuǎn)程程序監(jiān)控的功能來實(shí)現(xiàn)無人機(jī)的安全工作。

3 結(jié)束語

隨著時(shí)代的發(fā)展無人機(jī)必定會(huì)更加大眾化，日后會(huì)走進(jìn)家家戶戶。其姿態(tài)傳感器的發(fā)展與進(jìn)步也會(huì)帶來更大的效益與成果。雖然現(xiàn)階段姿態(tài)傳感器仍然存在精度與實(shí)時(shí)性低等問題，但通過不斷創(chuàng)新，傳感器必會(huì)不斷完善并走向成熟。

參考文獻(xiàn)：

[1]茹濱超，鮮斌，宋英麟，曹美會(huì).基于氣壓傳感器的無人機(jī)高度測(cè)量系統(tǒng)[J].中南大學(xué)學(xué)報(bào)，2013，7，44（02）.

[2]無人機(jī)上的傳感器[J/OL].全球無人機(jī)網(wǎng).

[3]無人機(jī)飛行控制技術(shù)中常用的傳感器[J/OL].北微傳感.

作者簡(jiǎn)介：郭家泰（1997-），男，河北人，本科，研究方向：自動(dòng)控制。