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全姿态增稳控制系统:意在改进无人机的稳定性

2018年06月06日 12:29 次阅读

O 引言

随着国内外反恐形势的日趋严峻和各类突发事件的频繁发生,对武警部队能否在各种复杂、危险的环境下,快速有效地完成任务,提出了更高的要求。传统的侦察手段已经不能满足形势的需求,如重大自然灾害,导致救援工作无法展开;反恐或协助抓捕时不能有效地跟踪嫌疑人等。无人侦察机的出现给执勤人员带来了方便,但在侦察过程中无人机自身产生的振动会使图像拍摄出现抖动,因此很大程度上影响到指挥员的正确决策。传统的自驾仪采用惯性测量单元获得飞机的姿态信息,包括角速度计(陀螺)和加速度计。陀螺用来测量飞机的姿态角和角速度;加速度计用来测一般重力加速度下两个水平方向的投影,通过三角关系可以换算出飞行器当前的姿态,也就是俯仰角和滚转角。但是,利用加速度计测量的姿态信息十分容易受到飞行器振动和机动飞行时自身加速度的干扰,测量精度误差一般比较大,稳定性差,使侦察效果受到影响。为解决无人机飞行平稳性,研究了一款由三轴陀螺和倾角传感器构成的全姿态增稳控制系统,用以改进无人机在执行任务时的稳定性。

l 系统特点

由陀螺和倾角传感器构成全姿态增稳控制回路。陀螺测量得到的角速度信息用作增稳反馈控制,使飞机操纵起来变的更“迟钝”一些,从而利用倾角传感器测得飞机横滚角和俯仰角。然后将陀螺测得的角速率信息和倾角传感器测得的姿态角进行捷联运算,得到融合后的姿态信息。这种较为复杂的捷联算法可使姿态精度得到很大提高。

2 姿态增稳控制律硬件设计

无人机姿态增稳控制属于内回路控制,它包括姿态保持与控制、速度控制等模式。内回路控制是在以三轴陀螺和倾角传感器获取无人机飞行姿态的基础上,通过对升降舵、方向舵的控制,完成飞行姿态的稳定与控制。内回路控制作为飞行控制的核心回路,也是飞行高度、航迹等外回路控制的基础。外回路控制是以GPS的位置、航向信号、高度传感器的气压高度信号为基准的,它通过导航控制方法计算出飞行器的预定航线和实际航线。

无人机内回路控制作为外回路控制的基础,对其能否稳定飞行起着至关重要的作用。该系统中,内回路是由三轴陀螺和倾角传感器构成的姿态增稳控制回路。主要由主控制单片机、A/D采样芯片、三轴陀螺仪和倾角传感器组成。主控制单片机通过SPI串行总线与A/D采样芯片相连,通过A/D采样芯片获得三轴陀螺仪的角速率与倾角传感器的横滚角和俯仰角,然后进行姿态信息融合,得到无人机俯仰和横滚的姿态信息。主要接口连接情况如图1所示。

全姿态增稳控制系统:意在改进无人机的稳定性

图l中,AD7888是一款高速率、低功耗的12位模拟数字转换器,能达到125 KSPS的传输速率,拥有8路模拟输入通道。为片选引脚,该引脚有两个作用,即启动AD7888转换器和制定串行数据的转移,与单片机引脚PB0()相连。SCLK为串行时钟输入引脚,通过外接单片机ATmegal28引脚PBl(SCK)提供串行时钟信号。DIN为逻辑数据输入端,DOUT为逻辑数据输出端,分别与ATmegal28的引脚PB2(MOSI)和PB3(MISO)相连。

外部基准电压的范围是Vref~VDD(Vref=1.2 V)。为了获得稳定的基准电压,采用由TL431组成基准电压电路。德州仪器公司(TI)生产的TL431是一个有良好热稳定性能的三端可调分流基准源。它的输出电压用电阻R2和R3就可以设置到从Vref=2.5 V到Vref=36 V范围内的任何值。

单片机ATmegal28与AD7888通过串行通信接口SPI相连,分别配置为主机和从机。SPI总线允许ATmegal28与外设之间进行高速的同步数据传输。

三轴陀螺主要用来测量无人机在飞行过程中俯仰角、横滚角和偏航角的角速度,并根据角速度积分计算角度的改变。该系统中采用日本松下公司的EWTS82(以下简称S82),其原理是将旋转时音叉震荡产生的地球偏转力(克里奥利力)转换为电信号。该三轴陀螺由传感器件、音叉驱动电路和信号处理电路构成。此款陀螺为一模拟器件,具有+80~-80(°)/s的测量范围,单电源(+5 V DC)供电,对零点漂移抑制较好等优点。另外,其低廉的价格可大大降低开发成本。

倾角传感器采用芬兰VTI Technologies公司生产的高精度双轴倾角传感器SCAl00T,该传感器的体积小,重量轻。其内部包含了一个硅敏感电容传感器和一个ASIC专用集成电路,既具有内部温度测量及补偿功能,又具备自检测功能,单轴最大输出范围约为-40~+40 ℃,有效输出范围为-30~+30 ℃。当采样频率为8 Hz及以下时,可获得0.002°的输出分辨率。串行外围接口SPI的输出频率为500 kHz,通过传感器元件控制频率响应,能够承受大于20 000g的机械振动。它具有的主要特点是:x,y双轴高分辨率双向测量,单电源(+5 V DC)供电,工作电流小(3 mA),噪声低,工作温度范围宽(-40~+125 ℃)等。

3 姿态增稳控制软件设计

整个飞控系统的输入量即为传感器所采集的飞行状态值,输出量为飞机状态方程的控制变量(舵值和发动机推力),所以飞控系统实质上是一个多通道的控制系统,即多输入/多输出控制系统。其中,飞控系统的核心控制回路是以姿态角(俯仰角/滚转角的)反馈信号为基础构成的飞行姿态稳定和控制回路,即内回路。

在内回路的基础上,又引入高度保持、航迹控制等外回路。

在飞控系统的姿态增稳控制回路中三轴陀螺实时反馈飞机的俯仰、横滚和偏航的角速率。另外,将三轴陀螺的俯仰角速率和横滚角速率分别与倾角传感器测得的俯仰角和横滚角进行姿态捷联解算。主控单片机利用定时/计数器O的定时中断,间隔30 ms循环进行内环的姿态控制,控制流程如图2所示。由于飞机沿纵向平面的对称性,无人机飞行控制可以分为相对独立的纵向控制和横侧向控制通道。

全姿态增稳控制系统:意在改进无人机的稳定性

(1)横侧向控制通道:无人机的横侧向运动即无人机的滚转和偏航运动,主要通过副翼通道来实现。在横侧向控制通道中有滚转角反馈和滚转角速率反馈,这两项构成了滚转通道的核心回路——内回路。另外,航向偏差反馈只有在无人机作定向直飞、航向跟踪或者自主导航时才需要接人,以稳定控制无人机的飞行航向;侧偏距反馈仅当无人机进入自主导航时才需要接入,以控制无人机跟踪预先设置的飞行航线;误差积分反馈仅仅当无人机做定向直飞时才接入,以消除无人机左右不对称性等因素的影响,改善无人机航向控制的精度以及左右转弯的对称性。

(2)纵向控制通道:无人机的纵向运动即指无人机的俯仰及升降运动。无人机的纵向运动规律是通过操纵无人机的升降舵来实现的。在纵向控制通道中有俯仰角反馈和俯仰角速率反馈,这两项构成了纵向通道的核心控制回路——内回路。另外,还有高度差反馈,只有在无人机做定高飞行时才需要接入,以稳定无人机的飞行高度。纵向控制俯仰角通道的框图如图3所示。

全姿态增稳控制系统:意在改进无人机的稳定性

通常可以把无人机飞行过程划分为几个相对独立的航段。一个最基本的自主飞行工程可以划分为6个航段:起飞阶段、出航平飞阶段、转弯阶段、返航平飞阶段、盘旋阶段和着陆阶段。每个航段的任务相对独立,把各航段的复杂飞行状态分解为几个基本的飞行任务:平飞、转弯、升降等。这样通过相对独立的纵向控制通道和横侧向控制通道来协调实现无人机的平飞、转弯、升降等基本飞行任务。

4 结语

在无人机中,飞控系统是主要组成部分,而姿态增稳控制则是对无人机顺利执行各项任务的有效方法。本文以实际应用为背景,详细介绍了基于三轴陀螺和倾角传感器构成全姿态增稳控制系统的硬件实现及软件设计,并将其运用在某型无人机中,针对系统中飞行姿态控制的的流程和内环姿态控制的规律进行了详细的分析与研究。经过百余次试飞,基于三轴陀螺和倾角传感器构成的姿态增稳控制系统,不仅满足了现阶段任务要求,还达到了良好的效果,为同类无人机的开发与研制提供了一套行之有效的方法。

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发表于 2018-05-28 11:24 741次阅读
携高性能、长航时海骑兵SD-40垂直起降无人机重...

便携式反无人机系统集锦

本设备采用手持便携式设计,通过合理的操作可以使被管制无人机驱离、返航、迫降高强度ABS材料CNC加工...

发表于 2018-05-28 11:18 592次阅读
便携式反无人机系统集锦

“独角兽”大疆投资人透露:账面已浮盈100倍

6年前,当黄伟把自己的几十万元投到大疆创新的时候,他只是单纯觉得这是个好项目,可能也并没想到当初这几...

发表于 2018-05-26 01:31 492次阅读
“独角兽”大疆投资人透露:账面已浮盈100倍

油电混合无人机在救灾领域起到的重要作用

传统锂电无人机受限于电池的容量极限,续航时间短,尤其是载荷情况下,航时不超过30分钟,不能长时间滞空...

发表于 2018-05-25 17:09 675次阅读
油电混合无人机在救灾领域起到的重要作用

在人力成本飙升的当下,机器人上岗成为配送员已是大...

近年来,诸如富士康等工厂也在想办法解决量产难题。根据媒体报道,富士康烟台工厂2015年2月量产Pep...

发表于 2018-05-25 14:18 445次阅读
在人力成本飙升的当下,机器人上岗成为配送员已是大...

大疆在无人机领域遥遥领先的原因分析

从“互联网+”概念的提出到现在,互联网与各行业的融合已经进入到了深层次阶段。而在“互联网+”变革社会...

发表于 2018-05-25 12:01 348次阅读
大疆在无人机领域遥遥领先的原因分析

面向企业市场的无人机技术:大疆创新

当今随着人工智能技术的不断成熟,在企业业务当中已经能够看到很多实际应用,看中国人工智能服务,实际上,...

发表于 2018-05-25 10:35 967次阅读
面向企业市场的无人机技术:大疆创新

内置AI无人机可自行判断飞行路径

虽然近年电脑深度学习和人工智能发展迅速,不过无人机因为机件的记忆体、频宽和功率等条件所效,在当中设置...

发表于 2018-05-24 17:52 703次阅读
内置AI无人机可自行判断飞行路径

UTC推出5.5寸光学感应器,兼容军用民用无人机

美国科技公司 UTC Aerospace Systems 推出直径只有 5.5 寸的光学感应器 TA...

发表于 2018-05-24 17:43 671次阅读
UTC推出5.5寸光学感应器,兼容军用民用无人机

无人机倾斜影像三维建模中的问题

参数设置包括:坐标及单位定义、分辨率、成像 中心、校正参数、添加影像、网格大小、畸变去除。 设置好上...

发表于 2018-05-24 15:54 1367次阅读
无人机倾斜影像三维建模中的问题

无人机获奖占领天空 需要专门的空中交通控制系统

美国宇航局(NASA)正和其他几个机构开发UAS交通管理(UTM)网络,他们计划明年完成测试。尤其是...

发表于 2018-05-24 14:25 664次阅读
无人机获奖占领天空 需要专门的空中交通控制系统

在物流领域,无人机有哪些应用场景?千亿级的无人机...

在国外这一应用已经实现。比如,去年,冰岛电商平台 AHA就与以色列无人机物流公司 Flytrex 合...

发表于 2018-05-24 10:17 930次阅读
在物流领域,无人机有哪些应用场景?千亿级的无人机...

张召忠:未来无人机是“自主式”

张召忠带来一场题为“中国军用无人机的发展”的主题论坛,为大家揭开军用无人机的神秘面纱。他认为,中国军...

发表于 2018-05-24 08:56 461次阅读
张召忠:未来无人机是“自主式”

水下智能机器人公司ROBOSEA熊明磊:水下无人...

多旋翼无人机的出现让大疆成为空中航拍霸主,后来者不得不在行业内另辟蹊径。而海洋,或许是天空之外的一个...

发表于 2018-05-24 08:47 320次阅读
水下智能机器人公司ROBOSEA熊明磊:水下无人...

首次使用无人机搭载倾斜摄影机开展空中取证

北京市检察机关坚持“首善”标准,依托北京科技和人才优势,积极推动科技强检融入北京科技创新中心建设,促...

发表于 2018-05-24 08:39 495次阅读
首次使用无人机搭载倾斜摄影机开展空中取证

无人机容易被干扰的原理

虽然形似狙击枪,但却有完全不同的工作原理,可以通过发射干扰信号,切断无人机与控制器间的通讯,扰乱GP...

发表于 2018-05-24 02:49 303次阅读
无人机容易被干扰的原理

无人机如何不再任性飞 实名登记细化 监管法规完善

国家空中交通管制委员会办公室组织起草了《无人驾驶航空器飞行管理暂行条例》(以下简称《条例》征求意见稿...

发表于 2018-05-22 20:34 647次阅读
无人机如何不再任性飞 实名登记细化 监管法规完善

一款仅售899的无人机,还具备不俗的硬件配置,你...

iDol智能飞行器具备1080P/30f视频输出,1920×1080照片分辨率,稳定流畅的还原更精准...

发表于 2018-05-22 10:22 731次阅读
一款仅售899的无人机,还具备不俗的硬件配置,你...

无人机黑飞事件频发难防范 民航局要求对无人机实施...

无人机实名登记出台,源自近年来频发的“黑飞”(未登记飞行)无人机安全隐患。民航局的统计显示,4月,全...

发表于 2018-05-22 07:42 683次阅读
无人机黑飞事件频发难防范 民航局要求对无人机实施...

珠海企业研发可在零下60℃环境中工作的工业级无人...

紫燕在国际防务市场的名气早已响当当,被业内评为“全球范围内唯一空中一体化的中小型无人直升机解决方案供...

发表于 2018-05-22 03:43 226次阅读
珠海企业研发可在零下60℃环境中工作的工业级无人...

遭遇瓶颈的大疆无人机该如何另辟新天地?

2015年是无人机融资市场的巅峰期,一年后便迎来了行业洗牌。虽说无人机市场风口已过,但企业仍在蠢蠢欲...

发表于 2018-05-22 03:34 290次阅读
遭遇瓶颈的大疆无人机该如何另辟新天地?

BAE系统公司研发新型太阳能无人机

BAE系统公司同英国棱柱公司(Prismatic)共同研发高空长航时太阳能无人机,首架样机命名为PH...

发表于 2018-05-22 03:24 243次阅读
BAE系统公司研发新型太阳能无人机

小米众筹上架iDol无人机支持AI手势

小米有品于515购物节期间上架了一款名为IDol的四轴智能飞行器(无人机),来自逗映科技,众筹价格8...

发表于 2018-05-22 03:20 359次阅读
小米众筹上架iDol无人机支持AI手势

顺丰10亿元投资无人机技术

为巩固在中国利润丰厚的电商物流领域的地位,按市值计中国最大的快递公司顺丰控股正设立一支规模达10亿元...

发表于 2018-05-22 03:15 250次阅读
顺丰10亿元投资无人机技术

中国邮政水陆两栖无人机具体参数曝光 载荷250公...

中国邮政EMS水陆两栖无人机在湖北荆门试飞成功。

发表于 2018-05-22 03:13 271次阅读
中国邮政水陆两栖无人机具体参数曝光 载荷250公...

燃料电池将面向多领域应用,但也将面临多个挑战

燃料电池是一种多年来一直在使用的能源,但从未成为主流。虽然它是一种绿色、清洁的能源,发电的副产品只有...

发表于 2018-05-21 10:57 228次阅读
燃料电池将面向多领域应用,但也将面临多个挑战

淮安市首批无人机正式持证上线

操作无人机要遵守相关法律法规,并确保无人机安全飞行;商业活动需要使用无人机,要向相关部门申请,递交飞...

发表于 2018-05-21 10:40 253次阅读
淮安市首批无人机正式持证上线

无人机人才稀缺 相关专业相继在各高校展开

近几年,随着技术的进步和各项成本的下降,民用无人机制造业发展迅速,在航拍、测绘、能源、植保、消防、救...

发表于 2018-05-21 10:35 344次阅读
无人机人才稀缺 相关专业相继在各高校展开

无人机成长猛如虎 现已跨入无人机掌上时代

一直以来无人机是我们热衷的话题,据第三方机构Statista预测,全美2017年消费级无人机销售额将...

发表于 2018-05-21 05:03 319次阅读
无人机成长猛如虎 现已跨入无人机掌上时代

英特尔的商用无人机一直引领着无人机领域

英特尔致力于不断开发创新技术,并引领无人机领域——尤其是商用无人机领域。 过去几个月,英特尔一直致力...

发表于 2018-05-20 09:22 306次阅读
英特尔的商用无人机一直引领着无人机领域

AMEYA360设计方案丨无人机遥控手柄

发表于 2018-05-11 17:20 402次阅读
AMEYA360设计方案丨无人机遥控手柄

无人机超声波互相干扰问题

发表于 2018-05-10 11:59 166次阅读
无人机超声波互相干扰问题

无人机遥控方向控制问题

发表于 2018-05-10 11:26 183次阅读
无人机遥控方向控制问题

张飞老师答疑第一期:无人机四旋翼

发表于 2018-05-09 19:27 1525次阅读
张飞老师答疑第一期:无人机四旋翼

【资料】Flying使用说明书(APP版)和(遥控版)

发表于 2018-05-09 19:02 103次阅读
【资料】Flying使用说明书(APP版)和(遥控版)

【资料】无人机开箱组装视频下载链接

发表于 2018-05-09 18:59 133次阅读
【资料】无人机开箱组装视频下载链接

【资料】第14部视频课件:锂电池资料

发表于 2018-05-09 18:58 122次阅读
【资料】第14部视频课件:锂电池资料

【资料】第14部视频课件:无人机培训.pdf

发表于 2018-05-09 18:56 133次阅读
【资料】第14部视频课件:无人机培训.pdf

Ameya360 无人机视觉、高级传感与处理解决方案

发表于 2018-04-23 17:22 283次阅读
Ameya360 无人机视觉、高级传感与处理解决方案

用matlab怎么检测无人机图传信号中有WiFi干扰?

发表于 2018-03-14 20:11 655次阅读
用matlab怎么检测无人机图传信号中有WiFi干扰?