基于北斗通信技術的無人機運動軌跡跟蹤控制系統設計

黃 琴

(四川科技職業學院 互聯網學院，四川 眉山 620500)

0 引言

北斗通信系統是由空間段、地面段、用戶段三部分共同組成的衛星導航系統，可在全球范圍內為各類接入用戶提供全天候的定位與導航服務，且具備較強的短報文通信與傳輸能力，可將數據信息文件的精度細化至微米級別。在實際應用過程中，北斗通信系統對于短報文數據的測速精度可以達到0.2米/秒，而對于協議文本的授時精度則能夠超過10米/秒。北斗星基作為北斗通信系統的應用基礎，能夠借助衛星導航轉發器對傳輸文件信息進行處理，并可以借助電離層設備、星歷主板等元件結構，完成對報文信息參量的修正與轉換[1-2]。在此過程中，由于核心通信設備的存在，短報文數據之間的連接關系能夠得到較好保證，一方面促進了北斗星基中的數據信息轉存速率，另一方面也避免了空間通信主機對于短報文傳輸數據的抑制性影響。與有人駕駛的飛機相比，無人機飛行器的適用性更強，能夠適應各種不同的任務環境，且由于其主體結構的物理重量水平相對較低，在完成飛行運動時，可將航拍攝像頭等設備直接放置在機體表面[3]。在實際應用過程中，無人機飛行器運動軌跡的起伏形式較為明顯，因此對于核心控制主機來說，其在俯仰角、滾轉角、偏航角層面所獲得的軌跡跟蹤結果始終難以與飛行器設備的實際運動軌跡保持一致。

針對上述背景，國內外已有相關領域學者對無人機運動軌跡跟蹤控制做出了研究。文獻[4]提出基于最優迭代學習控制的四旋翼無人機軌跡跟蹤控制方法。針對四旋翼無人飛行器存在的外部干擾，建立了離散的擾動模型，利用Lya-Punov法證明了其收斂性，并對干擾進行補償，采用最優化的迭代式學習控制器，以確保四旋翼無人飛行器的期望航跡跟蹤誤差逐漸收斂，實現無人機運動軌跡跟蹤控制。該方法的控制耗時較長。文獻[5]提出基于增量非線性動態反演和微分平度的四軸飛行器軌跡跟蹤控制技術。提出了一種新的控制律，用于跟蹤位置和偏航角及其高達四階的導數。根據四軸飛行器動力學的差分平坦度，使用角速率和角加速度的前饋輸入來跟蹤加速度。快速跟蹤需要直接控制車身扭矩，通過光學編碼器的測量值的閉環電機速度控制來實現機身扭矩控制。該控制器利用增量非線性動態反演來跟蹤線性和角加速度，但該方法存在外部干擾，例如空氣動力阻力，影響無人機運動軌跡跟蹤控制的準確性。

為避免上述情況的發生，基于自適應積分反步法的應用系統利用PD控制器記錄無人機飛行器所處的實時運動位置，再根據自適應法則，確定軌跡節點之間的關聯性關系，從而將各個跟蹤節點有序串聯起來[4]。然而此系統的應用能力有限，并不能實現對整條無人機行進軌跡的準確追蹤與控制。為解決此問題，引入北斗通信技術并以此為基礎，設計一種新型的無人機運動軌跡跟蹤控制系統。

1 基于北斗通信技術的協議格式定義

無人機運動軌跡跟蹤控制系統的協議報文包含運維報文、通知協商報文、業務數據報文3種基本表現類型，本章節將在北斗通信技術的支持下，針對各類的協議報文的應用格式進行定義。

1.1 運維報文

在無人機運動軌跡跟蹤控制系統中，運維報文決定了通信數據的傳輸能力，在已知信息報文傳輸起始位置與傳輸終止位置的前提下，運維報文中所包含的數據信息參量越多，通信數據所具備的實時傳輸能力也就越強[5-6]。

1)傳輸起始位置：信息報文的傳輸起始位置決定了運維報文數據參量的最小定義條件，在北斗通信技術的作用下，每一條無人機運動軌跡的初始節點都可被認定為是運維報文的傳輸起始位置，通常定義為d0。

2)傳輸終止位置：信息報文的傳輸終止位置決定了運維報文數據參量的最大定義條件，在北斗通信技術的作用下，每一條無人機運動軌跡的目標節點都可被認定為是運維報文的傳輸終止位置，通常定義為dδ，其中δ表示獨立無人機運動軌跡中的行進節點分布數量。

設β表示北斗通信節點的分布精度系數，ΔA整個無人機運動軌跡網絡中的北斗通信節點個數均值。聯立上述物理量，可將基于北斗通信技術的運維報文格式表達式定義為：

(1)

規定在系數δ取值等于自然數“1”的情況下，信息報文傳輸起始位置與傳輸終止位置完全相同，即整條無人機運動軌跡中只包含一個北斗通信節點。

1.2 通知協商報文

通知協商報文用于控制系統主站與無人機運動終端間的協商身份認定。與運維報文相比，該類型報文對于北斗通信節點的整合能力更強，可在加密運算無人機運動軌跡數據的同時，將節點跟蹤密鑰反饋回核心控制主機中，并能夠根據北斗通信節點的分布形式，確定無人機運動軌跡數據所處的實時傳輸位置[7]。表1反映了通知協商報文與運維報文協議格式的對比情況。

表1 報文協議格式

對北斗通信數據進行解密在北斗通信技術的影響下，通知協商報文可直接對控制系統已獲取的無人機運動軌跡節點數據進行處理，且隨著數據信息累積量的增大，報文加密模板與解密模板的編碼形式都不會發生變化[8]。

1.3 業務數據報文

業務數據報文也叫無人機運動軌跡數據的傳輸協調報文。在圖1所示的北斗通信環境中，由于相鄰節點之間的物理間隔相對較小，所以業務數據報文在軌跡跟蹤控制系統中不具備大量累計的能力。在實際應用過程中，軌跡跟蹤控制主機與北斗短報文支持設備的存在數量始終相等，在北斗通信技術的作用下，無人機運動軌跡數據的傳輸行為始終具有單一性，已累計的數據信息只能被數據庫主機完全存儲，且整個存儲過程中，數據信息參量的轉碼必須遵循業務數據報文[9-10]。

圖1 北斗通信環境

(2)

對于無人機運動軌跡跟蹤控制系統來說，北斗通信技術同時約束運維報文、通知協商報文、業務數據報文三類協議文件的格式定義標準，且隨著通信數據累積量的增大，協議文件的轉發量也會不斷增大，但業務數據類報文的表現形式最為明顯。

2 無人機飛行原理及系統建模

根據基于北斗通信技術的協議格式定義條件，分析無人機運動系統中的各級結構，再根據動力學模型，實現對無人機飛行原理的深入研究。

2.1 無人機系統結構

為了準確跟蹤無人機運動軌跡，需要清楚無人機系統中各個部件的關系與實際作用能力[11-12]。無人機運動系統的機械結構如圖2所示。

1．螺旋槳；2.電機；3.狀態指示燈；4.相機；5.電源按鍵；6.天線；7.裝載于跟蹤定位芯片；8.飛行電池；9.Micro主機；10.槳葉保護罩；11.開源控制器；12.無人機運動拓展模塊。

電機作為整個無人機運動系統中的電量輸出裝置，可以為螺旋槳提供大量的供應電流，從而使其呈現出快速轉動的表現狀態。當電源按鍵處于閉合狀態時，狀態指示燈持續亮起，此時相機會不斷對無人機運動軌跡進行拍攝，并可借助北斗通信網絡，將所得軌跡圖像反饋回系統控制主機中。飛行電池負責存儲不能被無人機飛行器完全消耗的傳輸電流，當電機裝置的供應能力出現下降時，螺旋槳會自發調動飛行電池中的剩余電量，從而使得無人機飛行器的運動狀態得以保障。天線裝載于跟蹤定位芯片外部，可感知北斗通信節點發出的感應信息，并將其反饋給Micro主機。槳葉保護罩能夠保護螺旋槳結構，并為其提供一定的支撐作用。

開源控制器決定了無人機運動拓展模塊與系統控制主機之間的數據通信關系，在實際應用過程中，該結構的連接行為受到北斗通信節點排列方式的直接影響。

2.2 動力學模型

(3)

3 系統主控結構

按照無人機飛行原理及標準的運動學建模條件，設置主供應電路、全驅動運動結構、姿態調節器、自適應控制器等多個硬件應用設備，從而完成基于北斗通信技術的無人機運動軌跡跟蹤控制系統的設計。基于北斗通信技術的無人機運動軌跡跟蹤控制系統整體結構如圖3所示。

圖3 人機運動軌跡跟蹤控制系統整體結構

根據圖3可知，基于北斗通信技術的無人機運動軌跡跟蹤控制系統軟件是通過北斗通信系統提升通信數據的實時傳輸能力，結合大量行進姿態數據，完成對無人機運動軌跡跟蹤控制系統的動力學建模。硬件由主供應電路、全驅動運動結構、姿態調節器、自適應控制器及軌跡追蹤器構成。以下對硬件結構進行詳細介紹。

3.1 主供應電路

主供應電路管控無人機運動軌跡跟蹤控制系統中的電量傳輸行為，以THB6128主板作為核心搭建元件，可在反相器結構的作用下，調試電量控制器兩端的電壓負載數值，從而使得主控時鐘中的直流電子始終保持相對穩定的傳輸狀態[15]。整個主供應電路包含4個阻值均不相同的連接電阻設備，其中R1電阻的阻值水平最高，能夠占據大量的電壓信號，從而保證無人機飛行器的運動能力。R2電阻、R3電阻同時調節THB6128主板中的電流輸出行為，由于二者連接阻值水平不同，所以其表現出來的行為水平也有所不同[16]。具體的主供應電路連接結構如圖4所示。

圖4 主供應電路的連接結構

電量控制器與核心控制時鐘保持穩定的連接狀態，在R4電阻的作用下，控制時鐘內積聚的電量信號越多，THB6128主板對于電量信號的輸出能力也就越強，此時無人機飛行器的運動速度也就相對較快。

3.2 全驅動運動結構

作為無人機運動軌跡跟蹤控制系統中的動力信號管控裝置，全驅動運動結構可以在調節無人機飛行器行進軌跡的同時，根據已路過節點的排列形式，推測整條運動軌跡的分布狀態，并將這些信息文件反饋給核心控制主機，以便于其制定系統后續執行所需的無人機運動軌跡跟蹤指令[17-18]。

在全驅動控制面板中，SGF65C芯片、LANC2芯片同屬于主控器驅動結構，負責對無人機飛行器的運動狀態進行實時調試；PG863J芯片則主要負責調節系統控制主機與無人機運動軌跡節點之間的跟蹤匹配關系；RL611旋鈕、Pr4-7設備總是保持并聯連接關系，并可以根據無人機飛行器的實時運動速度，確定關聯軌跡節點的具體分布狀態。

3.3 姿態調節器

姿態調節器負載于無人機運動軌跡跟蹤控制系統的子運行單元之中，負責記錄無人機飛行器所表現出來的運動行為，并可以借助核心控制主機，分析整條運動軌跡中的通信節點分布形式[19]。在實際應用過程中，姿態調節器元件與核心控制主機之間的數據傳輸關系建立，必須滿足北斗通信技術的作用原則。在無人機運動軌跡跟蹤控制系統中，姿態調節器結構的連接行為始終受到主供應電路元件的調節，一般來說，前者所記錄的無人機通信節點數量越多，控制主機在單位時間內所能完整排查的運動軌跡數量也就越多，此時系統控制主機所制定的運動軌跡跟蹤指令也就越符合實際應用需求[20]。

3.4 自適應控制器

自適應控制器以PID控制芯片作為核心應用結構，能夠在錄入無人機運動速度、軌跡節點坐標、通信數據參量等多項物理系數的同時，制定待執行的指令文件，并可以在輸入信道組織的作用下，將這些數據信息參量直接存儲于系統數據庫主機之中[21-22]。在圖5中，主供應電路輸出PID控制芯片所需的電量信號，Boost變換器輸出經過多次變換的穩流通信波信號，這些信號參量在控制芯片中進行融合與匯總，并生成大量的輸出文件，以供北斗通信主機的調取與利用。

圖5 自適應控制器元件的連接原理

為使無人機運動軌跡得到準確的跟蹤與控制，運動速度、行進節點等數值指標的選取，都必須滿足北斗通信技術的實際應用需求。

3.5 軌跡追蹤器

軌跡追蹤器負責記錄無人機飛行器的運動行為，并可在自適應控制器元件等多個硬件結構的作用下，完成對相關通信節點的重排處理[23-24]。在北斗通信技術的作用下，軌跡追蹤器結構中的所有已記錄信息都可以被系統控制主機直接抓取，這也是相關航跡節點數據能夠得到準確記錄的主要原因[25-26]。聯合各級軟、硬件執行條件，實現基于北斗通信技術的無人機運動軌跡跟蹤控制系統的順利應用。

4 實驗結果與分析

俯仰角、滾轉角、偏航角是3種不同的無人機運動軌跡航跡觀測角。在實際應用過程中，若控制主機所獲得的俯仰角、滾轉角、偏航角跟蹤結果均能與無人機實際運動軌跡保持一致，則判定控制主機能夠對整條行進軌跡進行準確追蹤與控制；若任何一個航跡觀測角的跟蹤結果與無人機實際運動軌跡產生較大出入，都判定控制主機不能對整條行進軌跡進行準確地追蹤與控制。

本次實驗的具體流程如下：

步驟一：選取如圖6(a)所示的行進路徑作為無人機運動軌跡；

步驟二：對實驗用無人機飛行器進行調試，如圖6(b)所示；

圖6 實驗環境設置

步驟三：令實驗用無人機飛行器在所選取軌跡路徑內運動；

步驟四：利用基于北斗通信技術的無人機運動軌跡跟蹤控制系統對中控主機進行干預，將所得到的俯仰角、滾轉角、偏航角跟蹤結果，作為實驗組變量；

步驟五：利用基于自適應積分反步法的應用系統對中控主機進行干預，將所得到的俯仰角、滾轉角、偏航角跟蹤結果，作為對照組變量；

圖7反映了中控主機所獲得的俯仰角、滾轉角、偏航角跟蹤結果實驗值，與無人機實際運動軌跡的對比情況。

圖7 軌跡對比

1)俯仰角跟蹤結果分析：俯仰角跟蹤結果的起始坐標為(0，0)，整個實驗過程中，實驗組無人機運動軌跡始終與無人機實際運動軌跡極為貼合；對照組無人機運動軌跡的橫、縱坐標則一直呈現不斷增大的變化趨勢，其整體變化規律不符合無人機實際運動軌跡，且兩種運動軌跡具有明顯出入；

2)滾轉角跟蹤結果分析：滾轉角跟蹤結果的起始坐標為(0，554 m)，整個實驗過程中，實驗組無人機運動軌跡依然與無人機實際運動軌跡極為貼合；對照組無人機運動軌跡的橫、縱坐標則呈現出不斷波動的變化趨勢，其整體變化規律不符合無人機實際運動軌跡，且兩種運動軌跡依然具有明顯出入；

3)偏航角跟蹤結果分析：偏航角跟蹤結果的起始坐標為(0，263 m)，整個實驗過程中，實驗組無人機運動軌跡還是能夠與無人機實際運動軌跡保持良好的貼合狀態；當橫坐標數值處于100～300 m之間時，對照組無人機實際運動軌跡能夠與實際運動軌跡較好貼合，但從全局角度來看，其整體貼合程度依然不及實驗組。

綜上可知，在基于北斗通信技術的無人機運動軌跡跟蹤控制系統的作用下，俯仰角跟蹤結果、滾轉角跟蹤結果、偏航角跟蹤結果均能與無人機飛行器的實際運動軌跡保持良好的貼合狀態，在實際應用方面，能夠對整條行進軌跡進行準確的追蹤與控制，與基于自適應積分反步法的應用系統相比，更符合實際應用需求。

5 結束語

在基于自適應積分反步法的應用系統的基礎上，新型無人機運動軌跡跟蹤控制系統利用北斗通信技術，對運維報文、通知協商報文等多種協議文件的連接形式進行了重新定義，又根據無人機系統的結構示意圖，建立完整的動力學模型條件。在北斗通信技術的作用下，主供應電路可以輸出大量的傳輸電量信號，以供全驅動運動結構、姿態調節器、自適應控制器、軌跡追蹤器等下級硬件附屬設備的調取與利用。隨著無人機飛行器運動時間的不斷延長，電量輸出信號可以在系統數據庫主機中大量累計，不但滿足了跟蹤設備實時管控飛行器運動軌跡節點的實際應用需求，也避免了差額供電行為的出現，使得相關執行設備之間的供求連接關系不斷趨于完善。實驗結果顯示，在這種新型控制系統的作用下，控制主機在俯仰角、滾轉角、偏航角方向上所獲得的跟蹤結果均能與無人機飛行器的實際運動軌跡保持一致，在促進主機元件對整條行進軌跡進行準確追蹤與控制方面，確實具有較強的實用可行性。