旋翼無人機導航實驗教學平臺開發

張玲 熊智 康駿 李婉玲 李欣童 曹志國

[摘 要] 為了貫徹創新驅動發展戰略，國家發布了《中國制造2025》戰略計劃。教育部為了儲備相應人才，于2017年推出了新工科建設計劃，目的是探索符合中國國情的工程教育模式。為推動航空科技創新，普及航空知識，提高國民航空意識，營造航空文化氛圍，中國航空工業集團公司與中國航空學會已連續六年舉辦“中航工業杯”國際無人飛行器創新大獎賽。作為其中一個重要項目的“旋翼類競技”旨在促進無人直升機創新。因此，以旋翼無人機為對象，開展集慣性導航、GPS導航、視覺導航、氣壓計、磁傳感器、激光雷達等各種機載導航傳感器于一體的智能感知導航實驗平臺開發研究，具有極其重要的現實意義。

[關鍵詞] 旋翼無人機;智能感知;實驗平臺開發

[中圖分類號] TP391.9? ? [文獻標識碼] A? ? [文章編號] 1674-9324（2020）41-0385-02? ? [收稿日期] 2020-04-02

南京航空航天大學自動化專業作為卓越工程師培養的重點專業，在培養目標中強調，要掌握自動化工程領域系統設計、實施、運行和維護的基本內容和程序，具有應用適當的理論和實踐方法解決工程實際問題的能力。具體到教學內容上，就是強化專業課程實驗、課程設計、綜合設計等動手類課程的教學要求，培養和鍛煉學生對知識的應用與拓展、對方法的驗證和創新等方面的能力，實現理論與實踐、課堂與課外、精深與綜合在教學環節中的平衡化。

針對自動化專業導航方向的學科研究背景，開展基于旋翼無人機的智能感知實驗平臺開發，可以為定位與導航、測試信號處理等專業基礎課程提供更契合專業方向的綜合實驗環境，也為大學生創新競賽等實踐創新類競賽活動提供良好的平臺，引導學生積極主動的思考與創新，最終培養具有航空航天和國防特色的專業人才。

一、自主飛行控制系統硬件設計

傳感器系統主要包括加速度計、陀螺儀、常規GNSS、D-RTK GNSS和攝像機。攝像機部分在任務設備部分闡述。加速度計、陀螺儀和常規GNSS共有三套，實現冗余配置。D-RTK GNSS是高精度導航定位系統，通過實時動態差分技術將三維定位精度由米級提升至厘米級，集成定位、定高和測向功能，彌補了傳統GPS、氣壓計和磁羅盤的不足，為高精度應用需求提供精準、可靠的系統解決方案。

飛控計算機分為上下兩層。下層為主控器，綜合利用IMU、氣壓計、D-RTK GNSS、磁羅盤等傳感器輸出信息實現精準的飛行器姿態控制;上層使用妙算處理板，其使用的NVIDIA Tegra K1處理器，最高主頻達2.2GHz，GPU核心具有強大的圖像處理能力，還能高效地處理并行任務，使用此處理板完成導航信息的處理、任務規劃、路徑規劃等，最終通過串口向主控器發送飛行指令，完成指定飛行動作。

二、自主飛行控制系統軟件設計

飛行控制系統設計采用經典控制方法，把控制通道劃分成內環和外環二部分，外回路以軌跡控制為主，內回路以姿態控制為主，對航向、俯仰、滾轉三個姿態通道分別進行控制。在真實的飛行器控制器設計中，運用最多的還是先內環后外環的設計方法。雖然這種方法得不到最優控制律，也更加依賴設計者的經驗，但是這種方法更加成熟，設計的控制器結構層次清晰，調試方便，其控制系統的總體結構如圖1所示。

三、實驗分析

精確引導過程中有對動態性能及穩定性的要求，需要飛行器飛到指定位置所需時間短，調節時間短，超調不可過大，穩態誤差小，所以采用分段PID設計控制器。在飛行器距離目標點較遠時，采用高動態，大速度的控制參數以縮短飛行時間;在距離目標點1米以內的位置采用低動態，大制動的控制參數以控制飛行器的速度;在距離目標點0.5米以內的位置時，主要調節穩態誤差。實驗結果如圖2所示。

四、結語

本文開發了一套基于旋翼無人機的智能感知導航實驗教學開發平臺，設計了飛行控制硬件系統，并開發了相應的軟件平臺。通過實驗分析，得到了旋翼無人機自主飛行任務下的位置變化圖形，驗證了本文開發的基于旋翼無人機導航實驗平臺的有效性，也為本科實踐課程的教學提供了良好的理論與實踐基礎平臺。

參考文獻

[1]王帥，周洋.用于危險區域物品清理的四旋翼飛行抓捕手[J].兵工自動化，2011，3（03）：78-80.

[2]魏麗娜，寧會峰，陸旺，韓曉靜.多旋翼飛行器的關鍵技術及應用前景[J].自動化技術與應用，2016，（09）：1-4.

[3]倪力學，徐貴力.無人機視覺著陸中合作目標的識別技術研究[J].計算機測量與控制，2005，13（11）：1260-1262.