無(wú)人機(jī)自動(dòng)駕駛儀設(shè)計(jì)及控制方法

魏云鵬 朱罡 張?jiān)戴?/p>

【摘要】自動(dòng)駕駛儀在無(wú)人機(jī)運(yùn)行過(guò)程中發(fā)揮著十分重要的作用，有引導(dǎo)、跟蹤、導(dǎo)航以及穩(wěn)定無(wú)人機(jī)等功能。本文就此對(duì)無(wú)人機(jī)自動(dòng)駕駛儀設(shè)計(jì)以及控制辦法相關(guān)內(nèi)容進(jìn)行分析，明確自動(dòng)駕駛儀的主要構(gòu)成，探究無(wú)人機(jī)自動(dòng)駕駛儀的設(shè)計(jì)目標(biāo)等。通過(guò)對(duì)上述內(nèi)容的分析，以期為相關(guān)工作人員提供參考。

【關(guān)鍵詞】無(wú)人機(jī);自動(dòng)駕駛儀;設(shè)計(jì)

前言

在無(wú)人機(jī)運(yùn)行過(guò)程中，最重要的子系統(tǒng)莫過(guò)于自動(dòng)駕駛儀。無(wú)人機(jī)中不涉及機(jī)載飛行員，因此需要自動(dòng)駕駛儀對(duì)不同類型控制功能有效實(shí)現(xiàn)，如自動(dòng)起飛、執(zhí)行相關(guān)任務(wù)、到達(dá)目的地、自動(dòng)著陸等。保證無(wú)人機(jī)性能、控制的穩(wěn)定性，相關(guān)的工作需要優(yōu)化不同環(huán)節(jié)的配置、設(shè)計(jì)工作。

1無(wú)人機(jī)自動(dòng)駕駛儀工作原理

大氣數(shù)據(jù)傳感器單元、飛行狀態(tài)控制單元、慣性和GPS傳感器單元以及微處理器單元是無(wú)人機(jī)自動(dòng)駕駛儀的主要單元組成。作為飛行控制以及處理數(shù)據(jù)的核心，微處理器需要同時(shí)保證較快的效應(yīng)速度以及完善的數(shù)字信號(hào)處理工作。

自動(dòng)駕駛儀的的主要工作原理如下：地面站將相應(yīng)的控制指令，如無(wú)人機(jī)飛行的空中速度、空中姿態(tài)、飛行高度以及航線信息等，借助無(wú)線電接收模塊，將指令信息傳遞給第一處理器中，同時(shí)控制指令信號(hào)會(huì)有效存儲(chǔ)相應(yīng)的控制指令，結(jié)合角速率陀螺，從而明確現(xiàn)階段無(wú)人機(jī)姿態(tài)信息誤差信號(hào)，隨后由第一處理器判斷，應(yīng)用PID控制率有效修正誤差信號(hào)，借助調(diào)速器對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速有效調(diào)節(jié)，經(jīng)由控制舵機(jī)方向舵以及副翼舵結(jié)合實(shí)際情況進(jìn)行相應(yīng)的偏轉(zhuǎn)工作，對(duì)無(wú)人機(jī)姿態(tài)控制工作有效實(shí)現(xiàn)。借助大氣數(shù)據(jù)傳感器，能夠?qū)o(wú)人機(jī)的空速和高速模擬信號(hào)有效獲取，借助相應(yīng)的轉(zhuǎn)換器形成數(shù)字信號(hào)，并經(jīng)由第一處理器對(duì)形成的誤差信號(hào)有效修正，有效控制無(wú)人機(jī)的空速和度。借助GPS接收機(jī)，能夠?qū)o(wú)人機(jī)的規(guī)劃航信以及位置信號(hào)之間的誤差信號(hào)有效獲取，有效控制無(wú)人機(jī)的導(dǎo)航工作。第一處理器和第二處理器的相關(guān)數(shù)據(jù)會(huì)借助下行通信接口，傳送給無(wú)線發(fā)射模塊，并將信號(hào)傳遞給地面站中，從而保證工作人員對(duì)無(wú)人機(jī)的有效控制。

2自動(dòng)駕駛儀系統(tǒng)人員設(shè)計(jì)

2.1設(shè)計(jì)模擬量通道

該通道設(shè)計(jì)工作主要是借助AD采集模塊，采集轉(zhuǎn)換相應(yīng)的模擬量信號(hào)。為了對(duì)信號(hào)精度提升，可以應(yīng)用F2812自帶的AD轉(zhuǎn)換器，對(duì)電源、溫度信號(hào)等有效采集。應(yīng)用模塊轉(zhuǎn)換器ADS8344，能夠?qū)铀俣扔?jì)、動(dòng)靜壓傳感器以及角速率陀螺等信號(hào)進(jìn)行有效的采集。如果AD供電電壓為5V，匹配的模擬通道輸入范圍便是0-5V，滿足傳感器信號(hào)電平的需求。但另一方面，需要考慮AD芯片與F2812接口之間不同的電平水平，需要有效轉(zhuǎn)換電平。

2.2調(diào)理傳感器信號(hào)

0-5V是動(dòng)靜壓傳感器、角速率陀螺的輸出電壓范圍，并借助低通濾波電路連接ADS8344輸入端。1.9-3.1V是加速度計(jì)模擬量輸出范圍，受到內(nèi)部輸出阻抗的影響，模擬量會(huì)出現(xiàn)不足的驅(qū)動(dòng)力情況，因此需要在輸出信號(hào)的基礎(chǔ)上，對(duì)驅(qū)動(dòng)能力有效增強(qiáng)。同時(shí)，為了對(duì)輸入范圍精度有效匹配，需要對(duì)不同方面電壓有效考慮。

2.3擴(kuò)展數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器

在自動(dòng)駕駛儀中，記錄、保存數(shù)據(jù)是重要工作之一。擴(kuò)展非易失性存儲(chǔ)器，能夠?qū)Σ煌矫娴墓δ苡行?shí)現(xiàn)，如對(duì)參數(shù)有效控制、存儲(chǔ)航路點(diǎn)信息與導(dǎo)航、對(duì)無(wú)人機(jī)飛行狀態(tài)數(shù)據(jù)有效存儲(chǔ)，為后續(xù)工作奠定良好的基礎(chǔ)等。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)存儲(chǔ)器的擴(kuò)展工作，可以借助相關(guān)的芯片，如FM25256B芯片，該芯片應(yīng)用鐵電技術(shù)進(jìn)行相應(yīng)的制造工作，且還該芯片還具有SPI總線接口，能夠與不同通電有效連接。

2.4輸入輸出舵控信號(hào)

應(yīng)用F2812，能夠借助其自身的PWM波形發(fā)生器，能夠提升便利性，對(duì)CPU開(kāi)銷有效減少，加之16位分辨率，能夠?qū)?zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作的精度有效保證。PWM輸出電壓和舵機(jī)控制信號(hào)電壓幅值分別為3.3V和4-6V，可以借助相關(guān)的驅(qū)動(dòng)芯片進(jìn)行相應(yīng)的升壓轉(zhuǎn)換工作。

3設(shè)計(jì)控制、導(dǎo)航方案

無(wú)人機(jī)姿態(tài)信息是設(shè)計(jì)導(dǎo)航、控制方案時(shí)需要重視的信息。在一些小型無(wú)人機(jī)中，可能不適合對(duì)光纖陀螺、機(jī)械陀螺應(yīng)用，因?yàn)槠溆休^高的成本以及較大的體積。微機(jī)電技術(shù)的發(fā)展使得MEMS應(yīng)用范圍也進(jìn)一步擴(kuò)大，該設(shè)備有較低的成本、較小的體積。相關(guān)工作人員需要明確姿態(tài)角，針對(duì)對(duì)角速率陀螺輸出信號(hào)開(kāi)展相應(yīng)的積分工作。但另一方面，對(duì)于成本較低的角速率陀螺，其有較大的漂移，很容易在短時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)誤差，需要借助其他方式修正上述誤差。借助敏感重力加速度，能夠?qū)铀俣扔?jì)的姿態(tài)角有效估計(jì)。載體位于均勻運(yùn)動(dòng)或是靜止的過(guò)程中，應(yīng)用上述方法有較高的精度，但是如果有其他因素干擾，很容易導(dǎo)致誤差。因此可以借助三周角速率陀螺以及三周加速度計(jì)構(gòu)成相應(yīng)的測(cè)量單元，有效估算無(wú)人機(jī)穩(wěn)態(tài)飛行時(shí)的姿態(tài)，對(duì)姿態(tài)誤差有效避免，對(duì)姿態(tài)估計(jì)的動(dòng)態(tài)性能有效保證。對(duì)無(wú)人機(jī)位置、姿態(tài)控制和穩(wěn)定性保證，是自動(dòng)駕駛儀的主要控制任務(wù)。控制器一般為雙回路結(jié)構(gòu)，具體分為內(nèi)回路和外回路，傳感器、無(wú)人機(jī)以及舵機(jī)共同構(gòu)成穩(wěn)定的資源以及控制回路，穩(wěn)定的控制回路是外回路主要組成。角速率陀螺主要提供內(nèi)回路角速率反饋信號(hào)，角速率陀螺以及綜合加速度計(jì)的信息進(jìn)行濾波算法得到姿態(tài)反饋信號(hào)。GPS接收機(jī)提供外回路的航向信息和位置，空速信息、氣壓高度由動(dòng)靜壓傳感器提供，主要控制方式為三通道。借助縱向通道，能夠?qū)Ψ€(wěn)定、控制工作有效實(shí)現(xiàn)。

在設(shè)計(jì)工作中，重要內(nèi)容之一即是設(shè)計(jì)航跡跟蹤方案。航跡跟蹤方案設(shè)計(jì)，即是對(duì)導(dǎo)引律設(shè)計(jì)，保證無(wú)人機(jī)在運(yùn)行的過(guò)程中，能夠真不同航路點(diǎn)精準(zhǔn)通過(guò)，從而順利完成飛行任務(wù)。以小型無(wú)人機(jī)為例，其一般能夠飛行幾十公里，在對(duì)不同數(shù)據(jù)計(jì)算的過(guò)程中，為了對(duì)計(jì)算的便捷性提升，可以將起飛點(diǎn)定為原點(diǎn)，并將導(dǎo)航坐標(biāo)系定為北天東坐標(biāo)系。經(jīng)緯度信息能夠被GPS接收機(jī)有效提供，需要對(duì)導(dǎo)航坐標(biāo)系中的直角坐標(biāo)有效轉(zhuǎn)換，并對(duì)任務(wù)點(diǎn)和航電有效轉(zhuǎn)換。將無(wú)人機(jī)當(dāng)前位置以及所要經(jīng)過(guò)的位置轉(zhuǎn)化到相應(yīng)的坐標(biāo)系中，從而明確不同數(shù)據(jù)，并將相應(yīng)的指令傳輸?shù)讲煌南到y(tǒng)結(jié)構(gòu)之中，保證對(duì)無(wú)人機(jī)自動(dòng)駕駛儀控制的質(zhì)量和效率。

4總結(jié)

綜上所述，本文主要對(duì)無(wú)人機(jī)自動(dòng)駕駛儀設(shè)計(jì)相關(guān)內(nèi)容進(jìn)行了相應(yīng)的分析。在對(duì)系統(tǒng)以及相關(guān)方案設(shè)計(jì)的過(guò)程中，需要在工作原理基礎(chǔ)上，對(duì)不同結(jié)構(gòu)進(jìn)行詳細(xì)的分析，保證不同方面設(shè)計(jì)工作的質(zhì)量和效率，從而對(duì)控制自動(dòng)駕駛儀穩(wěn)定性有效提升。針對(duì)設(shè)計(jì)中的不足，相關(guān)工作人員仍要加強(qiáng)研究。

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