小型无人机（共11篇）
小型无人机 篇1
摘要：测控系统作为无人机电子信息系统的核心, 是无人机系统的重要组成部分。本文阐述了无人机测控系统的主要功能, 描述了某小型无人机测控系统的组成。
关键词：无人机,遥控遥测,地面站,操纵器
1 引言
无线电遥控遥测系统是实施对无人机飞行管理的核心, 也是保证无人机安全飞行与回收的关键, 无线电遥控遥测分系统简称为测控分系统, 按功能可以分为无线电遥控子系统、无线电遥测子系统和地面站显示终端。无线电遥控子系统主要用于传输地面操纵人员的指令, 引导无人机按操纵人员的旨意飞行以及对安全区的坐标数据进行传输;无线电遥测子系统用于传送无人机的状态参数、位置坐标等信息给地面站;地面站显示终端对无人机的飞行参数、飞行姿态、航向和航迹进行显示, 并对程控航线和安全区域进行规化, 将规化好的坐标以无线电方式实时转送到机载飞控系统, 显示终端还可以对飞行数据进行保存和回放。
作为无人机飞行管理的核心, 无线电遥控遥测分系统的主要功能如下:
(1) 传送遥控指令;
(2) 显示无人机的航迹、姿态、位置、机载设备工作状态、当前遥控指令、测控数据传输质量等信息;
(3) 设置并装定无人机的原始参数、原点位置、飞行航路和安全区;
(4) 管理无人机飞行数据;
(5) 提供遥测信息的串口数据, 以接入局域网。
2 测控系统的组成
该小型无人机测控分系统组成框图如图1, 它包括机载遥控遥测收发一体机、地面遥控遥测收发一体机、地面站、遥控指令操纵器及天线, 并在地面站上增加了一个专用接口供数据接入局域网。
2.1 遥控遥测收发一体机
遥控遥测机载及地面收发一体机均由GD无线数传电台构成, 该电台具有如下特点:
(1) 高性能、高稳定、高可靠, 适用于各种恶劣的工作环境;
(2) 软件改变发射功率, 不打开电台即可改变输出功率;
(3) 软件改变静噪开启电平, 现场安装更方便;
(4) 数据电台采用温补频率基准源, 确保高稳定收发频率;
(5) 空中传输速率高达9.6Kbps;
(6) 采用前向纠错, 交织/反交织, 误码率降到最低;
(7) 循环冗余校验 (CRC) , 数据更可靠;
(8) 收发转换时间更短, 数据延时更小;
(9) 结构紧凑, 体积小巧;
GD无线数传电台由发射机、接收机、锁相环频率合成器、基带处理、调制解调器、微处理器、接口电路等部分组成, 其原理如图2所示。
发射机将基带信号调制到射频上, 进行功率放大和滤波。
接收机对接收到的射频信号进行滤波、放大、混频、鉴频等一系列处理后得到基带信号。
锁相环频率合成器提供发射和接收所需频率的信号。
基带处理对基带信号进行滤波、放大、预加重、去加重等处理。
调制解调器完成数据信号调制为模拟信号以及模拟信号解调为数据信号的变换。
微处理器完成控制、数据处理、参数设置、接口控制等。
接口电路实现与外接设备的电平转换与接口。
发射工作过程:基带信号经过基带处理后送至调制器, 然后经过小信号放大、功率放大和多级滤波后输出至天线口。
接收工作过程:天线口进来的信号经过滤波、低噪声放大、混频、中频滤波与放大、二次混频、滤波、鉴频、基带处理等过程还原信号。
2.2 地面站及操纵器
地面站的组成见图3, 它主要包括综合管理控制器、副站管理控制器、收发一体数传电台、工控机、LCD显示器、鼠标及两个RS-232口。综合管理控制器是地面站的核心, 主要数据的发射与接收、副站信息的处理及与工控机之间的数据通信;副站管理控制器负责对遥控指令操纵器送来的信号进行时序排序与编码并送给综合管理控制器;遥控发射和遥测接收模块主要负责把遥控信息给电台并处理电台送来的遥测信息;工控机负责对遥测信息进行处理并送LCD显示器进行显示;鼠标用于对测显软件的操作、无人机参数的设定及飞行数据的存储等;一个RS-232口用于工控机与综合管理控制器之间进行通信, 另一个RS-232口用于工控机与局域网上计算机之间进行通信。
操纵器分为遥控主控制台和遥控副操纵器, 如图4和图5所示。操纵器的面板上有6个板键开关, 每个开关对应2个指令, 故6个板键开关共可实现12个指令;21个微动开关各对应1个指令, 故可实现21个指令;33个开关指令分别是:远航、返航、上舵、下舵、俯冲、爬升、左定向、右定向、左舵、右舵、左盘旋、右盘旋、横平、纵平、靶Ⅰ放、靶Ⅰ切、靶Ⅱ放、靶Ⅱ切、启动、降高Ⅰ、降高Ⅱ、加GPS、程控Ⅰ、程控Ⅱ、左修、右修、归航、大车、小车、回收、抛伞、停车、巡航。
2.3 天线
采用高增益天线, 地面天线的长度为400cm, 架高后总高度为1000cm, 增益为10dBi, 机上天线长度为25cm, 增益为2.15dBi。
3 结语
测控系统作为无人机电子信息系统的核心, 并作为空中与地面之间联系的唯一纽带, 一方面需要研究新体制抗干扰技术, 不断提高自身测控反对抗能力, 以适应未来复杂的战场电磁环境;另一方面, 由于无人机系统的应用正在向通用化、智能化、宽带化和网络化方向发展, 无人机系统将需要在指挥控制系统通用化与互操作、一站多机通用控制站、抗干扰高速宽带数据链、协同组网与演示试验等方面加大投入, 不断提高无人机测控系统技术水平, 适应无人机的可持续发展。
参考文献
[1]吴益民等.无人机遥控遥侧数据实时处理研究[J].计算机侧量与控制, 2006.
[2]张劲锐等.基于GIS的无人机地面测控系统设计与实现[J].弹箭与制导学报, 2008.
[3]马传焱.无人机测控系统抗干扰技术与应用分析[J].飞航导弹, 2006.
小型无人机 篇2
小型无人机纵向动态特性试验验证
应用气动力估算方法得到某小型无人机的纵向气动力数据;通过风洞试验和飞行试验对估算结果进行动态特性验证,并重点讨论了小型无人机的.脉冲激励飞行试验验证.研究发现,选择飞行试验激励信号既要考虑小型无人机的特殊性,又要考虑信号的频谱特性;激励信号的选择为同类飞行测试提供了参考.
作 者：金岳 王维军 方振平JIN Yue WANG Wei-jun FANG Zhen-ping 作者单位：北京航空航天大学,航空科学与工程学院,北京,100083刊 名：飞行力学 ISTIC PKU英文刊名：FLIGHT DYNAMICS年，卷(期)：24(4)分类号：V212.1关键词：试验验证 动态特性 气动力估算 小型无人机
微小型无人机数据链分发系统研究 篇3
关键词：微小型无人机；数据链；数据分发系统；缓存算法随着科技信息时代的发展，无人机的研制取得了突破性的进展。根据美国国防部（DoD）发布的无人机系统路线图[1][2][3]，无人驾驶飞机（简称 “无人机”）与其他武器相比有更好的优越性，具有低成本、低损耗、零伤亡、可重复使用和高机动性等诸多优势，在情报侦察中具有重要的作用。作为无人机核心技术之一的数据链传输系统是无人机系统的重要组成部分，用于完成对无人机的遥控、遥测、跟踪定位及传感器信息的传输，具有统一的消息格式和波形规范、传输距离远、传输速度快和系统容量大的特点，在未来的信息化战争中扮演越来越重要的角色。而体积小、质量轻、部署灵活、机动性好、成本低的微小型无人机（Mini—UAV）还没用完善的数据链设备，主要原因是缺少有效的数据分发系统，使得战场信息难以得到共享。本文提出一种数据分发策略，以完善微小型无人机数据链系统。
1 微小型无人机数据链系统模型
无人机数据链系统通常就是无人机测控系统。无人机数据链路系统框图如图1 所示。根据《无人机系统及作战使用》[4]按数据传输方向的不同可分为上行链路和下行链路。上行链路主要完成地面站至无人机的遥控指令的发送和接收，可用于传输地面操纵人员的指令，引导无人机按地面人员的指令飞行，并控制机载任务设备；下行链路主要完成无人机至地面终端的遥测数据，用于传送无人机的姿态、位置、机载设备的工作状态、当前遥控指令等，进行信息红外或电视图像的发送和接收以及跟踪定位信息的传输，并可用其来进行测距。
1.1 数据链设备
主要由测控管理器、发射机及接收机组成，测控管理器负责地面遥控与遥测数据的融合和处理，管理无线电发射与接收时序，使遥控与遥测同步协调工作。发射机和接收机由无线电测控电台及天线构成，无线电测控电台可采用双工数传电台，负责遥控指令的发射与遥测数据的接收。
1.2 机载设备
包括飞行控制器、传感器及执行机构，飞行控制器一方面收集、处理来自于各个传感器的飞行参数，并将数据打包发送给地面接收装置。另一方面接收来自于地面站的遥控遥测指令，译码后发送给执行机构执行，调整无人机飞行参数。
1.3 地面设备
包括图像显示设备和工程控制计算机、数据分发系统。工程控制计算机对所接收的遥测数据进行处理，而后由图像显示设备将处理后的数据进行显示，供地面操纵人员实时掌握和调整无人机的飞行状态，并通过数据分发系统组建战术局域网将数据图像传递给其他单位。
2 数据分发系统设计方案
在执行某一任务时，地面各单位往往需要协调配合，获取实时可靠的战场信息，并达到战场资源共享。应用微小型无人机系统，不仅要将无人机获取的数据、图像以及视频等信息准确传回地面控制站，还要将信息分发予指挥中心以及其他任务单位。这要求微小型无人机系统具有完善的数据链系统，其中重要的一环是数据分发系统的建立。
2.1 数据分发系统的设计思路
由于微小型无人机通信带宽有限，不能通过下行链路直接将数据、图像及视频信息传给到地面各单位。如果引进一种中间机制，将所要传的信息暂存于这一中间机构，并按照一定的机制进行更新，以保证在存储磁盘允许的范围内，保存大量有效信息。需要获取信息的部门单位根据一定的权限以及优先级通过统一的通信机制获取无人机信息，达到战场信息的共享，而不占用有限的无人机带宽。这一中间机构就是数据分发系统，它作为微小型无人机与各部队部门的中间环节，建立了强大的数据分发机制如图2 所示，地面控制站接收微小型无人机信号传递给数据分发器，由数据分发器与各单位计算机组建战术局域网，将信息分发到各参战部队，达到战场一体化。
2.2 数据分发系统的结构与工作原理
数据分发系统由数据分发器与数据接收器构成如图3所示。数据分发器由用户IP范围设置模块、分发任务管理模块、分发组件以及缓存服务器构成。用户IP范围设置模块用来控制接受服务的客户计算机，确定哪些用户能够接收到信息。分发任务管理模块将接收的无人机数据图像视频等信息暂存于磁盘，再根据需求从缓存服务器中提取储存信息传到收发组件，发送组件将数据流进行分块，本系统中按1000字节为单位进行分块发送，通过IP协议进入战术局域网，使需求单位进行接收，在此过程中分发任务管理模块可以暂停、恢复、终止数据传输。数据接收器用于接收战术局域网中的信息。通过收发组件接收局域网的数据流，进入数据流执行机构，通过分发操作系统，将数据、图像、视频等信息送达需求单位。
每一个分发任务都要经过数据分发前的连接准备阶段和数据分发阶段。在数据分发准备阶段，地面控制站工作人员需要设置好本次分发的目标单位IP地址段范围，确定服务权限。进入数据分发阶段，分发器向接收器发送一个“开始”指令，然后从存储区提取暂存的信息进行发送，数据流发送完毕后，分发任务管理模块发送一个“结束”通知。流程如图4所示。
2.3 关键技术
数据分发系统工作时，要实现信息实时可靠的传输，要求系统具有强大的数据分发能力以及缓存能力，用到的关键技术有邓永红提出的高速缓存技术及内容分发技术[5]。
（1）高速缓存技术
由于数据分发器存储空间限制，必须有选择地缓存以提高用户的“命中率”。系统采用“拉”方式，由缓存程序透明地自动缓存内容，内容优先级的判定采用最近最多访问算法的原则设计并对算法进行修改。用M表示数据分发器的磁盘容量上限，用T 表示数据分发器总的磁盘容量，用N表示当前数据分发器的磁盘容量，用F表示需要缓存内容的大小，用D表示规定的统计时间间隔。用AD（accessed degree）表示访问度，即D间隔内某一内容累计被访问次数。AD初始规定值为ADo。另外，设定数组Array，其中存放元素的数据结构如图5所示，将数据分发器中所有内容按AD值的大小由小到大排序后存放在Array中 （在D间隔内要不断更新Array）。算法简要描述如下：
nlc202309010105
① if（N+F）%T 缓存当前大小为F的内容；//当前有足够空间存储，不需耍删除内容// else ② for（i=O；i< Array.length；i++） { if（Array[i].AD { if（（N+F—Array[i]Js）%T 删除Array[i]； N=N—Array[i].fs；//修改数据分发器当前的磁盘容量缓存当前大小为F的内容// break； else 删除Array[i]； N—N—Array[i].fs；//修改数据分发器当前的磁盘容量// continue；//继续向后删除// } else 缓存N 大小的内容；//将AD break； } （2）内容分发技术 保持接收器和分发器的内容一致，同样是系统的关键问题。一种处理方式为分发器的内容发生变化时，向接收器发送一个更新版本。如果内容更新频率高于访问频率，则可能产生很多无用的数据流。另一种处理方式为使用失效标志。当一个内容发生变化时，向接收器发送一个失效标志。每个接收器再根据具体情况在最短时间内从分发器获取新版本。本系统采用两种机制结合的方式，基于用户的请求频率和文件的更新频率来决定使用那种方法，从而达到更好的分发效果。 （3）轮巡调度算法 在轮巡（RR）调度算法中，需要调度的信息被分解成为许多小的“单元”，并且在每个刷新周期内对其中的一个单元服务，周而复始。显然，轮巡调度可以使用优先级，虽然没有基于某些预先定义的优先级。算法存一些缺点，在系统存在很多信息需要传输时，它导致了一些不必要的相对较大的延时。式（1）给出轮巡调度算法的平均延时。从等式中我们可以发现它具有很好的“公平性”，因为平均等待时间与信息的长度成比例。 DRR=■（1） 其中ρ为信道利用率，X为信息的传输时间（等价于信息的长度）。 2.4 分发机制策略 微小型无人机数据分发过程中，根据任务的性质可将数据分发分为三种机制，分别是广播、多播以及点播。在执行大型任务时需要各单位协同配合，因此地面控制站需要把无人机信息以广播的形式传达到各单位，它们都对无人机捕获的信息有需求，设置IP为全网段。根据各单位的职能使命确定优先级，地面控制站与指挥中心建立最高优先级，再根据需要与其他单位建立不同的优先级。当某任务需要控制知情范围，要求只有特定参与单位才能获取分发的信息，则采用多播机制，指定IP段范围，控制知情范围。当地面站获取无人机信息时，各单位也可以向地面控制站发出申请，要求无人机信息服务，地面控制站收到申请后，根据进一步的判断决定是否向申请方分发数据，这时采用点播机制。可再用点播调度算法如轮巡调度算法实现。 3 结束语 随着战场任务的多元化、复杂化趋势，单一部门难以满足任务需求，需要各单位协同作战来应对复杂多变的战场情况。微小型无人机越来越受到青睐，而数据链是制约微小型无人机发展的重要环节，不仅要求建立无人机与地面控制站的可靠通信，而且要求将无人机捕获的信息实时准确的分发于各参展单位，然而现阶段微小型无人机还没有完备的数字化数据链系统，针对此问题笔者提出了数据链分发系统的解决方案，为建立完善的微小型无人机数据链提供了理论基础。 参考文献 [1] U.S. Department of Defense. Unmanned Systems Integrated Roadmap FY2011—2036. [2] U.S. Department of Defense. Unmanned Systems Integrated Roadmap FY2009—2034. [3] U.S. Army. Unmanned Aircraft Systems Roadmap 2010—2035. [4] 魏端轩，李学仁.《无人机系统及作战使用》北京：国防工业出版社，2009，3. [5] 邓永红.内容分发网络技术综述[J].有线电视技术，2005，12（13）：15—20. 作者简介 罗卫兵（1969—），男，湖南，教授，博士。 杨钦诃（1987—），男，内蒙古，硕士。 陈娇叶（1989—），女，河南，硕士。 无人机因其在执行侦察、监视、攻击等任务方面的明显优势,越来越频繁地被现代战争所采用[1]。而战场的苛刻生存条件,对无人机的小型化、实时性和开发周期提出了更为严格的要求。小型化要求无人机系统集成度高,体积小;实时性要求无人机能够快速稳定地采集和处理数据;开发周期方面,则要求无人机从设计到批量生产尽量缩短时间。本文正是基于这样的思想,给出了某小型无人机导航数据采集系统的硬件实现方法,为无人机组合导航提供必要信息。 1 无人机系统总体设计 为达到小型化、低功耗的设计标准,必须将无人机的导航系统、飞行控制系统硬件集成到一块体积仅为120 mm×87 mm×2 mm的六层电路板上。该电路同时还要集成无人机的信息解码、故障诊断、任务控制与执行等多种功能且总功率不能大于5 W。 采用双DSP的设计方案来构成无人机的导航解码CPU和飞控CPU。系统总体设计如图1所示,飞控DSP获得传感器信号后进行航姿解算,然后将姿态信息传给导航DSP和地面站;导航DSP接收GPS定位信息、地面站无线电遥控信息,结合航姿信号作导航计算,并将计算后将相应的任务指令传递给任务平台。导航DSP与飞控DSP之间的高速的数据交换经由双口RAM实现。导航DSP在完成相应的计算任务后,把处理结果送到双口RAM,飞控DSP在需要时,从中读取数据。 采用惯性导航与全球卫星定位(GPS)相结合的组合导航方案,二者能够相互弥补各自的不足,为无人机提供可靠性较好,自主性和精确度较高的导航信息。 2 惯性导航系统的数据采集 惯性导航系统一共需要采集17路信号:其中三轴陀螺仪信号和三轴加速度计信号由外扩A/D芯片ADS8364采集,磁阻传感器信号、温度补偿信号和空速信号由DSP片内自带的ADC模块进行转换,高度传感器信号为数字量,直接由DSP的同步串口SPI读取。 2.1 惯性导航系统总体结构 如图2所示,使用ADS8364采集三轴加速度计信号和三轴陀螺仪输出的角速率信号:Model 1221微硅加速度计的输出为差分信号,直接接入ADS8364的前三个差分通道;微机械陀螺仪输出的三轴角速率信号依次接入ADS8364后三个差分通道的“+”端,并将ADS8364芯片自身的+2.5 V参考电压接入通道“—”端,A/D芯片与DSP的数据线和控制线依次相连。 磁阻传感器信号、空速传感器信号及三路陀螺温度补偿信号和三路加速度计温度补偿信号连接到DSP自带的ADC模块的模拟信号输入引脚作模数转换。DSP的SPI是一个4线接口:主机输出/从机输入(MOSI)、主机输入/从机输出(MISO)、串行SCLK或SCK、从发送使能(SPISTE)。其分别与高度传感器芯片MS5534C的DOUT、 DIN、SCLK连接,从发送使能(SPISTE)不连。 2.2 外扩A/D数据采集 2.2.1 硬件连接 当ADS8364的HOLDA、HOLDB和HOLDC引脚输入信号相与结果为逻辑1,ADD、A2、A1、A0引脚输入信号相或的结果为逻辑0时,芯片工作在软件控制模式下[2]。为使ADS8364工作在软件控制模式下,模数转换器ADS8364的有源低电平取样触发器holdx经10 kΩ上拉电阻连接3.3 V高电平,同时上拉3.3 V电平的引脚还有ADS8364的复位信号RESET;3路地址选择引脚(A0,A1,A2)及BYTE和ADD引脚接地。 配置DSP的事件管理器EVA模块,由其通用定时器2产生一路频率为5 MHz的PWM波信号,提供给ADS8364作为时钟信号。因ADS8364的模数转换时间为20个时钟周期,此时数据采集和转换时间分别为0.8 μs和3.2 μs,一次从采集到完成转换的总时间仅需4 μs,完全满足导航实时性需求。当系统初始化完成后,六个模拟通道同时采样,并在下一个时钟的上升沿开始转换,软件延时5 ms以上,保证DSP对每个通道的读取时间。一次转换结束后,ADS8364发出一个低电平脉冲信号EOC,将该信号提供给TMS320F2812的外部中断XINT1,即可触发DSP的一个读周期。 TMS320F2812处理器的外部接口(XINTF)映射到5个独立的存储空间,当访问相应的存储空间时,就会产生一个片选信号[3]。外部接口的访问时钟频率由内部的XTIMCLK提供,配置为SYSCLKOUT,即3.75 MHz。XINTF ZONE2的地址空间为0x00080000到0x00100000,且独享片选信号XZCS2。 将DSP的XINTF ZONE2空间片选信号XZCS2直接与ADS8364的片选信号CS相连,当DSP访问XINT ZONE2空间时,外扩AD芯片就会被选通。 2.2.2 软件实现 在软件控制模式下[4],DSP可通过向入口地址写入命令的方式,对A/D芯片进行初始化。 通过软件配置,使A/D芯片工作在CYCLE循环模式下。A/D每次转换完成,即在EOC引脚产生1 个低电平信号,触发DSP 的外部中断XINT1,此时DSP以CYCLE模式按顺序读取A/D转换后寄存器中的数据,入口地址设为XINTF ZONE2空间的起始地址0x080000。 TMS320F2812初始化ADS8364的部分程序代码如下: #define ADS8364_ADDR 0x080000 //设置A/D入口地址 … *(int *)ADS8364_ADDR=0x07; //重置A/D *(int *)ADS8364_ADDR=0x0f; //重置A/D结束 *(int *)ADS8364_ADDR=0x08; //启动转换通道 另外还需在中断中,写入控制命令,使A/D芯片工作在循环模式下: *(int *)ADS8364_ADDR=0x86; //循环模式 2.3 片上A/D数据采集的设计 TMS320F2812 的ADC模块是一个具有12位分辨率,带流水线的模数转换器,拥有16个通道,可配置为2个独立的8通道模块,分别服务于事件管理器A和B,两个独立的8通道模块也可以级联成一个16通道模块。ADC模块的采样端口最高采样输入电压是3 V,实际设计中考虑余量因素,故将输入电压限制在3 V以下[5]。 ADC模块需要完成对3路磁阻传感器、3路加速度计温度、3路陀螺温度和1路空速传感器共计10路模拟量的转换。将ADC的两个独立的8通道模块级联成一个16通道模块,两组级联连续自动排序并工作在开始/停止模式。 初始化ADC模块的部分程序代码如下: AdcRegs.ADCTRL1.bit.SEQ_CASC=1; //级联模式 AdcRegs.ADCTRL3.bit.SMODE_SEL=0; //设置顺序采样模式 AdcRegs.MAX_CONV.all=0x0009; //序列发生器最大采样通道数为10,一次采1个通道,共采样10个通道 AdcRegs.CHSELSEQ1.bit.CONV00=0x0; //采样ADCINA0 AdcRegs.CHSELSEQ1.bit.CONV01=0x1; //采样ADCINA1 … 3 通信接口设计 包括通过RS422总线与GPS接收机通信在内,无人机需要完成的数据交换任务主要有:与地面站通信,进行遥控数据的接收与遥测数据的发送;与机载任务设备之间进行数据交换;以半双工方式接收GPS定位信息;接收姿态传感器的测量信号,及发出舵面控制指令。 3.1 与GPS通信 TL16C752芯片内置两套UART系统,可独立工作,具有64B发送/接收FIFO(中断触发等级可编程),且工作电平为3.3 V,与TMS320F2812的工作电平兼容[6]。 从系统的可靠性与实用性出发,设计采用外扩异步串口芯片TL16C752,以中断方式接收GPS数据[6]。由于GPS数据接收机是RS422接口,而由TL16C752外扩的串口为RS232接口,所以二者之间选用MAX3232芯片实现转换。 3.2 与半物理仿真平台/飞行器通信 每片TMS320F2812提供两路异步串行通信接口SCIA、SCIB。考虑无人机在实际飞行之前需要完成大量半物理仿真实验,因而同时预留硬件系统与半物理仿真平台和实际飞行器双方接口。 半物理仿真系统如图4所示,主要由地面站、飞行控制器、地面站、执行机构、无人机模型计算机、大气模拟系统、三轴转台、GPS模拟系统、综合显示系统及相应机载传感器等组成。 半物理仿真与实际飞行的区别,主要在于实际飞行时的舵偏量及发动机油门开度信息经由DSP的PWM波输出通道直接送给执行机构,无人机姿态测量设备同时获取姿态数据返回DSP。而在进行半物理仿真实验时,飞机的飞行过程需经过无人机模型计算机模拟。因此将飞控DSP的SCIA口与模型机的接收端相连,向模型机发送飞控DSP给出的舵偏角信号和油门开度信号,并通过SCIB口接收经过环境模拟系统编码的航姿信息和大气数据。 4 数据采集验证 半物理仿真实验条件可控,实验过程可重复、无破坏,具有经济、安全、高效的特点。上述数据采集系统,经过静态数据采集实验,做相应的滤波、补偿和标定,还不能用于无人机的定型试飞。为了更全面地考察硬件的安全性与可靠性,必须利用实验室地面半物理仿真实验平台(带三轴转台)进行动态数据采集实验。 如图5,在半物理仿真平台上设定全模态飞行任务剖面,将无人机数据采集系统接入半物理仿真平台,对三轴转台的姿态变化进行实时数据采集。仅列出硬件系统航向角通道所采集到的数据的变化趋势,如图6所示。 从航向角曲线可以观察到,在无人机弹射结束进入爬升和平飞时,航向角保持在0°左右,当飞机进入盘旋模态,航向角稳定增加或减少,模态切换间系统表现稳定。整个剖面飞行过程中,系统都能准确采集到航向角的各种变化。数据采集过程中,每20 ms记录一次数据,所以曲线图有些跳变,但总体趋势与任务要求相符。 5 结束语 本文所设计的数据采集硬件系统,实现了小型无人机组合导航系统数据的采集任务,且达到了小型化和实时性的目标。同时,充分利用DSP丰富的串口资源,只需对串口通讯协议稍作修改,就能无缝接入半物理仿真平台,或用于实际飞行。极大地缩短了硬件系统的开发周期,也为软件系统的开发节约了成本。将该系统运行于实验室的导航/飞控半物理仿真平台,结果表明系统稳定有效,为下一步的飞行试验奠定了基础。 参考文献 [1]秦永元,张洪钺,等.卡尔曼滤波与组合导航原理.西安:西北工业大学出版社,1998 [2] Texas Instruments.ADS8364 Data Sheet.June 2002 [3]陈鹏,闫建国,曾赟.DSP和TL16C752在无人机GPS导航中的应用.测控技术.2009;28(2):31—35 [4] Texas Instruments.Software Control of the ADS8364.August 2002 [5]苏奎峰,吕强,等.TMS320F2812原理与开发.北京:电子工业出版社,2005 利用自动控制理论的知识,分析并建立了某小型低空高速无人机飞行控制系统的控制律,并采用飞机小扰动运动方程进行了初步的验证计算.利用飞机系统仿真的.方法,采用飞机全量扰动运动方程对该型无人机飞行控制系统的控制律进行了仿真验证,结果表明,文中所设计的该型无人机飞行控制系统的控制律可以实现该无人机安全发射、稳定爬升、高度稳定、姿态稳定、航向稳定的要求,进而可以实现无人机按预定航路的飞行. ★ 浅论电气自动化控制系统的设计思想 ★ 无人机作文400字 ★ 无人机营销策划书 ★ 无人机社会实践报告 ★ 高度组诗 ★ 汽车灯光智能控制系统设计研究论文 ★ 自考论文PC控制系统设计的要点 ★ 无人机的作文600字 ★ 无人机的作文450字 摘要：随着我区矿山地质环境监测工作不断地成熟发展，以过去单一调查为手段的矿山监测工作将由卫星遥感监测及更为细化整体型监测所慢慢取代。其中所说的细化整体型监测就包括以无人飞行器为手段，对矿山各类型监测要素（如排土场、露天采坑）进行无时段限制飞行监测。本文简要阐述针对小型无人飞行器在我区矿山地质环境动态监测工作中的应用。 关键词：无人飞行器；矿山地质；环境监测；地空一体化 1. 引言 通过无人飞行器近几年在我国不断地发展与演变，技术逐渐日益成熟，其应用领域不断拓宽，涵盖了包括地质环境测量在内等诸多领域。由于我区是一矿业大省，其矿产资源丰富，矿山开采类型多样，开采历史悠久。矿业的开发在推动我区国民经济发展中做出不可磨灭贡献的同时也随之而来造成了生态及地质环境的破坏。为了全面及科学系统地掌握我区矿山地质环境年度动态变化情况，分析其矿山地质环境问题变化特征。内蒙古自治区国土地环系统出台了一系列全区年度性矿山地质环境动态上报机制，包含全区各矿山地质环境问题、保证金治理方面等。并于2014年通过矿山地质环境动态监测示范区的建设，秉承先试点，后推广，示范先行、逐步推进原则，总结出一套行之有效的监测方法对全区重点矿区地段进行针对性监测。本文简要介绍通过此次矿山地质环境动态监测示范区建设所运用到的小型无人飞行器监测工作方法。 2. 我国无人飞行器发展现状 无人机（unmanned aerial vehicle或drone）是一种由无线电遥控设备或自身程序控制装置操纵的无人驾驶飞行器。无人机用途广泛，成本低，效费比好，无人员伤亡风险，生存能力强，机动性能好，使用方便等优势，使得无人机在航空拍照、地质测量、高压输电线路巡视、油田管路检查、高速公路管理、森林防火巡查、毒气勘察、缉毒和应急救援、救护等民用领域应用前景极为广阔。正是因为看到未来无人机的民用市场潜力巨大，除一些科研院所外，民营企业也开始介入无人机市场。目前粗略估计全国约有170多家单位在生产无人机。“就低端产品而言，一套无人机系统的生产成本有可能不超过几十万元，这也是中国有众多厂家看重无人机市场前景的一个原因。 现如今我国小型无人飞行器分为固定翼及四轴或四轴以上螺旋翼两种，其中用途较为广泛性价比较高的主要为四轴或四轴以上螺旋翼飞行器，它主要具备机动性、灵活性和安全性、其分辨率相对较高、无需专用起降场地，升空准备时间短、易于操控，并可空中悬停多角度拍摄等特点，特别适合在山区及地形复杂地段应用。本文所介绍的小型无人飞行器为四轴螺旋翼飞行器。 3. 全区矿山地质环境动态监测现状 3.1 全區矿山地质环境动态监测现状 自2010年至今，内蒙古自治区国土系统按年度形成以县级→市级→省级→部级的逐级上报表格数据的模式，建立了我区年度矿山地质环境动态监测数据库体系，为矿山地质环境治理提供了基础数据。并且从2014年开展的监测示范区项目也有助于进一步对全区重点矿区实施动态监测提供有效技术帮助。从矿山企业来讲，我区2008年矿山地质环境治理恢复保证金制度建立以来。已有部分大中型矿山开始对矿区存在的矿山地质环境问题有针对性的展开定期监测。 3.2 矿山地质环境监测存在的问题 虽然我区现已初步开展了矿山地质环境监测工作，但由于矿山地质环境监测工作本身所具有的系统性、准确性、可操作性等诸多要求，况且在全国层面矿山地质环境监测仍处于实验性阶段。对于我区下一步矿山地质环境监测工作仍面临严重的挑战。其存在的具体问题如下： 3.2.1 在行政监测方面：虽然我区从2010年开始就已经通过全国矿山动态监测上报系统，初步了解掌握了全区年度性矿山地质环境现状，但由于全区矿山数量较大、矿种较多、分布面积较广等因素，对于全区矿山整体性监测统计而言仍存在巨大难度，加之全区矿山动态监测系统仅能满足年报需求且上报数据的准确性仍有待于进一步提高。 3.2.2 矿山企业自行监测方面：通过近几年矿山动态监测工作及矿山保证金与矿山地质环境治理方案的逐步开展，全区不少大中型矿山均已开展矿山地质环境动态监测工作，并且投入了不少财力与物力，取得了显著的成效，同时带来了很多新方式、新技术、给全区矿山地质环境监测工作下一步的发展方向提供了很多新思路。但由于各矿山企业根据自身需求，仅把监测力度投入在矿业开发易产生地质灾害隐患点处，不具有规模性。且所需监测经费投入较高，不具有普及性与可操作性。 4. 飞行器在矿山地质环境动态监测工作中的应用 综上所述，现阶段我区矿山地质环境动态监测仍处于起步阶段，所涉及矿山地质环境问题数据，大部分仍靠过去的调查方法及以点带面的形式统计出来，所反映的数据准确程度仍有较大差异。本次全区矿山地质环境动态监测示范区所运用的小型无人飞行器将对这一问题进行实验性监测。 4.1 监测工作流程 考虑到飞行器对地形地貌景观破坏有直观的监测效果，根据矿山地质环境的类型（工业广场、排土场、露天采坑、地面沉陷、地面塌陷、已治理区域），飞行器除不能反映深度以外，均能通过平面或多角度拍摄，后期合成校正等手段反映其监测类型面积及整体变化情况。其监测工作流程如下： 首先，将飞行器起降地点布设在所监测类型的中心部位，这样更便于对监测类型进行航空拍摄；其次，地面人员对所监测类型周边及中心地带布设若干控制点，布设可按地面参照物进行设点。起飞后可根据监测类型的大小，来控制飞行高度，本文所运用的四轴螺旋翼飞行器最大飞行高度为500m，最远控制距离为1000m。根据实际监测，在飞行高度200m时对地物拍摄面积为0.2km2。若监测类型面积较大时，可设定航线（一般按“S”形）对地物进行分片拍摄，后期拼接来进行。若反映监测类型整体情况时，可根据监测类型实际形态，选取适当高度及角度（本文飞行器摄像头偏移角度为±90°）来进行拍摄。 4.2 后期处理 在飞行拍摄结束后，若条件允许可现场进行影像合成及校正工作。其主要考虑若本次飞行拍摄达不到预期效果，可安排重复拍摄，以达到其监测目的。影像合成时（单幅就能反映监测类型的除外）必须遵循飞行航线拍摄时间轨迹，运用图像合成软件进行拼接，拼接后根据先前布设好的地面控制点及参照物，运用空间地理信息校正系统软件进行后期合成校正，已达到量测监测类型面积的效果（见照片1、2）。 5. 结束语 矿山地质环境动态监测是一项任重道远的工作，其监测过程中所运用到的方式方法也在逐步摸索阶段，本文仅通过运用小型无人飞行器来对矿山地质环境问题类型进行航拍监测工作论述，以求拓宽我区矿山地质环境监测手段领域，为实现日后系统性“地空一体化”矿山监测做出努力。 参考文献： [1] 无人机在矿山监测中的应用（卢小平）. [2] 周文生， 吴振宇， 刘海燕. 无人机遥感在矿山地质环境调查中的应用[J]. 地下水， 2014（2）：128-129. 目前GPS/INS组合导航成为无人机导航系统的主流方向,由于这种组合系统的误差随时间累积。本文分析了组合系统中的误差来源,依此采用差分伪距的卫星定位测量方式,给出了核心程序流程,并对结果进行仿真,提出了卡尔曼滤波器提高系统测量精度的解决办法。 1 系统设计 首先建立起以惯导系统误差方程为基础的组合导航系统状态方程,并在导航系统误差的基础上建立组合系统的测量方程。系统硬件构成如图1: 系统由微惯性测量单元、GPS接收电路单元、卡尔曼滤波器、PID控制器组成。该组合导航系统的状态方程描述为: 式1为系统状态方程,式2为系统观测方程,根据这两个方程即可建立卡尔曼滤波方程。 其中下标E、U、N分别表示地理坐标系的三个方向东、北、以及天;下标x、y、z表示无人机的数学坐标;表示惯性测量单元中速度值的误差;ψEψNψU表示角度误差;δlδλλh表示经度纬度以及高度误差;τxτyτz是惯性测量单元的漂移误差;是惯性测量单元的零位误差;δlGδλGδhG是GPS接收机的位置误差。其中X(t)为状态变量W(t)为惯性测量单元中互不相关的零均值高斯白噪声序列。 2 软件设计 组合导航系统的导航模式的切换由软件完成,此外比例、积分、微分算法、卡尔曼滤波算法由程序实现。首先给出软件流程图如图2。 调整指令的间隔时间大于1S说明飞机状态不需要快速更新,此时GPS信号的频率可以满足系统需求,采用GPS单独导航,反之则应采用惯性导航方式;5秒内接收不到GPS信号说明被外界电磁干扰,应当采取惯性导航方式。 3 仿真结果 由MATLab生成系统误差的仿真曲线如图3所示。 图3(a)为在海面上巡航的飞机,采取惯性导航,其系统误差随时间的增加而递增,成线性变化,图3(b)显示,加入卡尔曼滤波器做为组合系统的接口后,误差出现了尖峰,但误差曲线收敛于零值。因此,卡尔曼滤波器加如后提高了组合系统的导航精度。 参考文献 [1]黄智刚,孙国良,冯文全等.无线电导航原理与系统.北京:北京航空航天大学出版社,2007:276-298. [2]刘滨涛.导航卫星系统总体研究及星座改进方案仿真[J].航天控制,2005,23,(1). [3]Godet J.GPS/Gallery Interference Analysis[A].Proceedings of theInstitute of Navigation ION GPS200[C].Salt Lake City,Utah,2000. 无人驾驶飞机(简称无人机)是当今飞行技术发展的一大热点。无人机通常是指无人驾驶、自主推进,由无线电遥控或自身程序控制,利用空气动力承载飞行并可回收重复利用的飞行器,英文用Unmanned Aerial Vehicle表示,缩写为UAV。笔者对小型无人机经过综合选型后最终选择多旋翼飞行器作为航拍载体,下文中所提及小型无人机均指多旋翼飞行器。小型无人机最有吸引力的地方莫过于低空和超低空飞行的灵活性,这种无所不能的镜头位置,能够给电视观众带来强烈的视觉冲击,低空镜头的纵深能够带给电视观众深刻的现场感。 笔者在经过了一年对小型无人机航拍的研究与实践后发现,目前绝大部分的小型无人机航拍均采用手动控制方式。即在拍摄过程中,至少有一人操控飞机飞行轨迹,而另有一人操作摄像云台取景。或合二为一,操作者既控制飞行,又控制摄像取景。此过程中操作人员作为核心,非常关键。但正因如此,航拍的整个过程非常依赖人员操作的熟练程度,且在复杂情况下的操作难度极大,超视距操作也会产生一定障碍。 在此基础上,笔者提出智能化的航拍模式,并成功将其成果转化,在元宵节期间于南京夫子庙大成殿上空进行了航拍实践,并成功地为江苏城市频道的元宵节SNG连线节目提供了宝贵的航拍镜头。 一 智能化航拍模式与地面站 如上所述,常规的小型无人机航拍采用手动控制方式,极度依赖操作人员。包括操作人员的熟练程度,环境对操作人员的影响等方面。其中操作人员的熟练程度从理论上是能够解决的,只是成本较大。而环境对操作人员的影响,在某些方面是无法消除的。例如,光线对操作人员的影响,逆光环境下靠目视操作、夜间弱光环境下靠目视操作等,几乎是不可能完成的任务;再如距离对操作人员的影响,且不论远距以后手持式遥控设备信号是否能够安全稳定到达无人机,超过一定距离后人眼会对物体产生错觉,无法分辨无人机的飞行姿态及动作,超视距后更是无法对小型无人机进行精确操作;同样操作人员的视野范围在实际操作过程中也显得相当重要,并非所有情况下均能找到具有良好视野的操作平台,被建筑物、树木等遮挡视线的情况也时有发生。 小型无人机航拍除了飞行外,还需对拍摄更加关注,飞行的质量对拍摄质量影响较大。而拍摄本身也是非常复杂的工作。除了控制云台对被拍对象进行捕捉这种基础性工作外,往往在拍摄之前就必须拟定飞行路线,镜头轨迹等。而飞行操作人员更加依靠经验和实际环境状况,并不能完全按照拟定路线飞行,即使能够做到,也难免有视觉误差,从而影响镜头语言的应用。此外,人与人的配合往往难以做到严丝合缝,而一般控制镜头的人员往往无法实时控制飞行的轨迹,只能被动接受不利的取景条件,如此拍出的镜头通常只求有,无法追求完美。 鉴于人控小型无人机的种种缺陷,本文提出智能化航拍模式,将建立具有智能化操控能力的地面站系统,对小型无人机进行操控。由传统的单人控制无人机的"放风筝"模式,转变为地面站智能化自动控制为主,操作人员辅助控制的智能飞行模式。 所谓地面站(Ground Control Station,简称GCS)是整个无人机系统的指挥控制中心,专门用于对无人飞机的地面控制与管理,无人机地面站是在现代无人机的发展和应用过程中逐步提出的。为了能更好地监视无人机的飞行状况并对无人机进行遥控,人们设计了各种类型的地面站,来辅助操作员对无人机的各种飞行数据和任务设备状况等进行实时的监控,以便在一些应急情况发生时能够及时地采取相应处理措施来保证无人机的安全。地面站硬件部分一般包含有地面站计算机、通信数据链和辅助操控手柄等设备。由于地面站系统能在飞行期间根据环境的变化实时改变预定的任务计划,从而有效地提高了无人机执行实际任务的能力。 因此,我们在传统的遥控器操作的同时,部署了地面站,两套控制系统可以按照一定规则,同时对飞行器进行控制,达到优势互补。同时也增加了突发事件的备份控制手段。如图1所示。 二 地面站软件设计 地面站软件是无人机地面站的重要组成部分。操作员通过地面站系统提供的鼠标、键盘、按钮和操控手柄等外设来与地面站软件进行交互,就可以在任务开始前预先规划好本次任务的航迹,飞行过程中对无人机的飞行状况进行实时监控和修改任务设置以干预无人机飞行,而任务完成后还可以对任务的执行记录进行回放分析。 1,地面站软件功能设计 地面站软件主要有三大功能: 飞行监控功能。该部分为无人机的操作员提供控制平台,除了要对无人机发回来的数据信息进行实时地采集、显示和保存之外,还要具备通过数据链发送各种遥控指令来实现干预无人机飞行的功能,; 地图导航功能。地图导航部分为无人机的地面控制人员提供导航平台,飞行过程中将飞行的航迹和飞机的当前位置实时标示在电子地图上。遇到特殊情况时,操作员可以通过地面站软件控制无人机从自动模式进入手动模式:使无人机能够在地面站的导航控制下进行安全的飞行; 航线规划与航迹操作功能。任务开始前,操作员根据预定的飞行计划规划好本次任务的飞行航线,然后将这一规划发给飞控计算机;飞行过程中执行航迹的存储与回放,任务结束后就可以进行航迹回放以检验任务执行的效果。 2.飞行监控 飞行监控有两层意思,即"监"和"控"。飞行监控分为飞行状况监视和远程实时控制两部分。飞行状况监视是通过读串口接收缓冲区的无人机状态数据包,并加以解析显示在仪表控件上,辅助操作人员了解飞行器的飞行状况;远程实时控制是指当无人机的飞行遇到特殊情况时,无法再按预定的任务自主飞行,就需要从地面发遥控指令使飞行器进入手动遥控模式,通过地面站操作员的遥控来进行安全的飞行。 飞行状况监视及远程实时控制的精确度与灵敏度主要取决于两个基本技术,一是传感器技术,二是通讯技术。 首先在传感器技术方面,我们设计时采用三轴陀螺仪、三轴加速度计,压力传感器、全球定位系统(GPS)、超声波测距传感器等一系列高灵敏度传感设备。经过复杂的算法,由飞行控制器内嵌的程序进行运算,得到精确的飞行状况信息。通过高频的刷新扫描,向外提供飞行状态信息。 其次在通讯技术方面,我们设计的地面站与无人机之间所有数据通信均通过串口连接来收发,因此串口通信功能的实现在整个无人机地面站软件中起着至关重要的作用。串口通信模块需要实现以下功能:配置串口相关属性,建立与无人机之间的串口连接,实现用户层串口通信协议,响应操作员的指令将命令装帧发送出去,实时接收无人机传下来的数据并通知主线程更新数据显示等。 地面站在解析了飞行器的一系列状态信息后,将其反应至用户界面,如图2。 3.地图导航 地图导航功能和飞行监控功能类似,同样需要传感器及通讯技术的支持,用于获取飞机的经纬度、高度等信息,并将这些信息打包回传给地面站。更重要的是地图导航功能还需地理信息系统(GIS)的支持。 为了给现代无人机的飞行提供导航服务,不可避免地需要使用电子导航地图。根据无人机发下来的状态包中包含的GPS经纬度信息,实时地在地图上标示出无人机在地图上的当前准确位置和航向,对于无人机导航的顺利完成至关重要。 随着地理信息系统的发展,基于地理信息系统的二次开发也使导航电子地图的开发简便了许多,功能也更加强大。目前能够发现许多开源的地图可以使用,例如谷歌地图、百度地图、搜搜地图等。我们建议在项目实践中采用国内的地图提供商,例如百度地图地理信息系统,运用百度地图的开放API实现导航电子地图的各项功能。 4,航线规划与航迹操作 航线规划是无人机智能化航拍应用中的一个关键功能,无人机航线规划时根据任务的预定目标规划好本次任务的飞行轨迹。航线是由多个有序的控制性航点组成的,规划好的航点和航线都可以在地图上得到直观的显示,航点和航线的内容都是保存在数据库中的,方便下次任务的复用。 对于每一次飞行任务,都要预先进行本次任务的航线规划。航点对应着本次任务需要经过的地图上某个控制位置,设置航点时还需要设置到达该航点时飞机应该具有的速度、航向等设定值,多个有序航点一起组成了一条航线。规划好航线之后将该航线装帧并通过串口发送给无人机,无人机就会自动规划好本次任务的各项动作,任务开始后就可以自动按序执行各个飞行动作,依次飞过各个航点来完成飞行任务。 航迹回放是指在某次任务执行完之后,根据任务执行时传下来并保存到地面站导航数据库中的飞行记录情况,开始一个模拟的飞行,将整个飞行过程在软件上回放一遍,航迹回放可以方便操作员分析某次任务执行的状况。 航线规划和航迹回放时都涉及到数据库系统的应用,航线规划时需要保存规划好的航点和航线信息,航迹回放时要读取上次任务的飞行记录,这些信息或记录可以保存到文件或数据库中,由于数据库在性能上的优越性,我们设计时建议保存到数据库中。 如图3所示,实际飞行过程中,当飞行器按航线自动飞行时,就将从飞行器的起始点(HOME)飞向1号航点。如要进行精细控制,则在地图上设置大量精确航点即可。 三 于地面站的智能航拍典型场景 场景一:2013年正月十五南京秦淮灯会航拍镜头 如图4所示,此处为秦淮灯会主会场,夫子庙大成殿门前,正月十五灯会时广场上挤满游客,飞机起落地必须设置在远处,超出手动控制的视距。周围最合适的起飞场所在一栋小楼的房顶,地方小且视野有限,无法直接观察飞机进行操控。加上拍摄时间为夜间,操作人员视线受到极大限制。 此时采用起飞降落由操作人员控制,确保在狭小地带能够将飞机升起高空并安全着陆。而在空中则由飞行器根据地面站事先设置好的航点作为参照,进行智能化飞行航拍。整个航拍过程经过了秦淮河上空、大成殿上方等人员控制很难操作的位置。且一次拍摄成果,完全符合预期效果。 此次航拍视频片段经节目组采纳,用于当日晚江苏城市频道《南京零距离》的SNG连线直播节目中,给节目带来具有强烈冲击感的镜头,受到观众好评。 场景二:飞越中华门 飞行镜头要求从北门起飞,越过城堡在南门降落。 南京中华门城堡为大型城门,小型无人机航拍飞越城堡有很大难度。起飞与降落点很难设置,平时游人很多,且附近无法找到能够覆盖飞行全程的视野,起飞与降落不在同一个地方,采用手动控制方式,显然无法做到这一点。 因此,在实践过程中,我们建议采用航线规划的方式,在起飞时采用自动起飞模式,原地上升至某一高度后,根据事先设计好的航线进行飞越式飞行,到达降落地点,由操作人员辅助进行降落,从而达到飞越城堡这一镜头的实现。 四 结论 江苏省广播电视总台早已开始发展小型无人机航拍作为新形式拍摄手段。在传统的控制方式拍摄实践活动中,我们发现了人工手动控制的弊端。因此提出智能化航拍模式的必要性,提出基于地面站控制与手动控制相结合的新型航拍方法。并通过对地面站软件设计,提升了小型无人机的智能化程度,极大增加了无人机航拍的适用范围,并成功地应用于节目制作与生产。 本文中讨论的智能化航拍是基于地面站控制实现的,未来可在此基础上进行改良,在智能化飞行的基础上,如何做到智能化拍摄,是一个更有价值的研究课题。 摘要：本文简述了小型无人机航拍在电视领域的使用前景,深入分析了小型无人机航拍的典型应用,提出了智能化航拍的理念,并分析了地面站在整个智能化航拍过程中的重要作用。同时结合现有技术及江苏电视台近期工作实践,提出了智能化地面站所应当具有的基本功能,并提出了某些特定场景下基于地面站的智能控制航拍方案。 小型无人机简介 由机身、电机、电子调速器、螺旋桨、电池、脚架、云台、遥控系统、控制系统组成。 1.机身:主体部件, 是整个飞行系统的飞行载体, 一般使用高强度重量轻的材料。 2.电机:无人机空中飞行, 全靠螺旋桨或者涡扇来牵引带动, 驱动它们旋转的动力都是来自发动机或电动机, 电机一般分为有刷电机和无刷电机。 3.电子调速器:简称电调, 根据控制信号调节电动机的转速。 4.螺旋桨:通过自身旋转, 将电机转动功率转化为动力的装置。 5.电池:将化学能转化成电能的装置, 为整个动力系统和其他电子设备提供电力来源。 6.脚架:停止飞行任务时, 无人机的脚架起到支撑和固定作用, 所用材料有复合材料、碳纤维材料等。 7.云台:安装、固定摄像机的支撑设备。它分为固定和电动云台两种。 8.遥控系统:由遥控器和接收机组成, 是整个飞行系统的无线控制终端。遥控系统由操纵器、控制电路、无线数传电台和遥控接收机组成。 9.控制系统:集成了高精度的感应器元件, 精准感应并计算出飞行器的飞行姿态等数据, 再通过主控制单元实现精准定位悬停和自主平稳飞行。 小型无人机外形尺寸不等, 一般长3m左右, 宽2m左右, 高0.6m左右。价格因性能、品牌而异, 从3千至10万左右。飞行燃料成本每亩不足1元。 主要应用领域 农业 据环球航空报道, 农用无人机在植保领域的应用越来越多, 一架载重14kg的无人机平均1min可以喷洒1.3亩左右的农田, 以日飞行时间4min计算, 喷洒面积可达312亩, 相比人工日喷10亩可提高效率30倍左右。 日本是应用农用无人机最成熟的国家, 无人机施药面积达到总施药面积的一半以上, 达96.3万hm2, 在册2000多架农用无人机。美国农用飞机4000多架, 65%的化学农药采用飞机作业完成喷洒。南非、澳大利亚等国家也已将无人机应用于农业植保作业。 我国2010年第一架商用的植保无人机由无锡汉和航空技术有限公司制造, 以大田作物18亿亩年均施药5次计算, 共需90亿亩次施药作业。以50%面积采用植保无人机施药, 每亩次10元服务费, 年服务产值450亿元, 随着绿色农业、精准农业技术革命的不断发展, 采用无人机进行植保作业已成为中国农业的发展趋势, 其应用前景极好。 测绘 无人机在测绘中具有非常重要的作用, 可机载遥感设备, 如高分辨率数码相机、轻型光学相机、红外扫描仪, 激光扫描仪、磁测仪等获取信息, 用计算机对图像信息进行处理, 并按照一定精度要求制作成图像。政府或行业部门做出科学决策的基础依据之一就是完整的信息资料。无人机测绘技术能准确地反映出测绘地域范围内的综合信息, 提供最新、最完整的地形地物资料, 因而广泛应用于国家生态环境保护、航空摄影测绘、自然灾害监测与评估、城市规划与市政管理、国防事业等领域, 有着广阔的市场需求。前不久, 一张南京六安市油菜花田里的龙袍图在网络上迅速扩散。这个“龙袍”图案长约190m, 宽约150m, 所在的油菜田占地72000m2, 如何完成如此精细的图案, 并呈现在网络上?原来, 无人机航测又一次走在了前端。 据江苏省测绘地理信息局介绍, 首先, 专业人员共测绘出15000个坐标点, 之后用计算机按比例放大到田里, 再连点成线绘制图形。仅定坐标耗时达1个月, 共3000多名村民参加坐标点插木桩。确定坐标后, 先在外圈用灌木“勾边”, 再在里面播种小麦和油菜, 两个多月后, 等到小麦绿油油、油菜花盛开的时候, 这件以油菜花做袍身、绿色苗木做章纹的“龙袍”初现。等油菜花收割后, 还可方便播种其他作物。目前水稻、大豆、玉米、高粱等经济作物, 都已经进入“候选名单”。游客春天能看金龙袍, 其他季节也许能看到红衫或紫衫龙袍。 测绘技术不仅能应用于现代化的精准农业, 还能助现代旅游农业一臂之力。今年3月22日, 江苏省测绘工程院的青年职工运用无人机进行航拍, 制作并发布了该景观三维模型, 好评如潮。 其他 据不完全统计, 仅深圳市大疆创新科技有限公司自开展研发以来, 取得专利成果数百项。无人机产品技术的持续研发将不断扩展无人机的使用外延, 探索发掘新的应用领域, 给它挂上不同的器材, 就可做有害气体检测、通信信号中转、地面交通情况勘查等多项工作。这里不再一一赘述。 在城市园林中的应用前景 无人机代表着未来的发展趋势, 由于其在提高精准度、提高安全性、提高效率, 节约成本、抵达人员和其他机具难以到达的地方等方面有明显优势, 同样, 其在城市园林中的应用前景也十分乐观。 1.规划设计:以往规划设计时, 如道路绿化设计, 多参考道路断面规划图、道路管网规划图等, 对现状地形地物采取实地查看, 对地下管网基本无探测, 缺少利用测绘技术来详细准确定位相关设计边界、高程及需避让障碍物等, 无人机机载遥感设备后可以全方位对规划区域进行勘测, 全面掌握现状地形地物, 更加清晰进行规划设计, 绘制的效果图真实。当前, 按照新建公园标准, 公园面积必须在5万m2以上, 利用无人机测绘技术可开阔设计思路, 多创造奇思妙想, 既美化环境, 又吸引百姓欣赏。 2.园林养护:无人机在农业上已有较好的经验, 尤其植保方面, 园林养护上也有应用前景。利用无人机的优势主要体现在:一能远离伤害, 不与农药进行直接接触, 避免了农药通过皮肤或呼吸道损害植保人员或其他人员的健康;二是提高效率, 一台飞行器喷洒, 速度相当于20个人工喷洒;三是解决人工只能喷洒在叶面的弊病, 利用螺旋桨产生的风力携带农药喷洒至叶背, 360°无死角喷洒;四是喷洒高度可达50m, 药物雾化程度高, 喷洒均匀, 利于控制药量。 3.资源调查:城市的园林绿化工作应建立资源调查库, 资源调查工作是一项繁忙的工作, 耗时耗力, 许多城市不太重视, 要做到每年更新资源库数据更是难上加难。利用无人机可以极大提高室外调查效率, 用计算机对采集图像的处理等技术又可以极大提高图像、数据的分析效率, 从而快速准确建立资源库。 4.航拍摄影:对公园绿地、生态廊道等区域利用遥感航拍技术进行空中摄影拍图, 可以记录园林绿化建设全过程, 让人们更加立体的了解园林绿化建设工作内容, 珍惜爱护园林建设成果, 进一步宣传当地园林绿化;还可以制作最新地形地物资料, 为科学决策园林绿化事业发展提供准确信息。 1 设计背景 本次设计是为配合某电视台拍摄需求, 设计出一架能从地面起飞, 飞行高度100 m以上, 留空时间大于30 min, 最大起飞重量不超过3000 g, 可以搭载并安全投放重量为250~500 g载重的小型无人机。 经过前期机型设计, 估算出本次设计的基本参数如下: 飞机总重量:2500~3000g。 机翼面积:60 dm2。 翼展:1900 mm。 平尾面积:1540 cm2。 垂尾面积:506 cm2。 尾力臂:100 cm。 上反角:8°。 发动机:ASP46级 (6.5cc) 。 目前, 用于制作无人机的材料主要有木材、竹材、塑料、复合纸料、纸、纺织品等非金属材料, 还有铝、铜、钢、钛以及合金金属等金属材料。出于成本预算和前期机型设计的综合考虑, 本次设计决定使用一种独特的夹层板材作为主机身的材料。 2 主体材料的选择 2.1 木材的选择 木材有着取材方便、价格便宜、加工容易、粘结方便等优点, 更重要的是它有较高的比强度。比如, 同等强度要求下松木的质量比钢材轻2.4倍, 对于航空器而言这是一个非常显著的优点。 木材的选择除考虑其比重、顺纹压力强度、顺纹拉力强度等因素外还应根据不同的应力要求选择不同的木纹纹理。从原木的不同位置锯出来的木片有弦切木片、径切木片、斜切木片三种, 他们的表面纹理有很大差别。木纹的不同自然会使三者强度特性产生很大区别。 径切木片。此类木片沿木纹方向拉伸强度较大, 但其横向强度不大, 容易弯曲, 不宜单独用于制作平板部件。 弦切木片。此类木片很不稳定, 干燥后容易产生翘曲。此类木片质量较差。 斜切木片。此类木片的剖面木纹是倾斜的。而且当木纹倾斜45°时最稳定, 不易变形, 横向受力也比较好。 2.2 塑料的选择 塑料的比强度较高, 化学稳定性好, 不容易变形。航空模型和无人机常用的塑料主要有硬质泡沫塑料、注塑件、板材热压件、玻璃钢和石墨纤维等。此外还有热缩型的塑料蒙皮, 它已逐渐取代传统的绵纸和尼龙绢蒙皮。 注塑件和板材热压件。一般使用聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚氯乙烯、ABS和尼龙等为原材料。在航空模型和无人机中主要用于制作螺旋桨、桨帽、整流罩、发动机架、各种接头和摇臂等。 玻璃钢是用玻璃纤维和树脂胶结合而成的复合材料。它在航空模型和无人机中可以用在结构的局部加强和表面加强上。它的特点是强度大、重量轻、加工成型方便, 适合于单件生产。 硬质泡沫塑料主要有聚苯乙烯硬泡沫塑料、聚氯乙烯硬泡沫塑料、聚氨酯硬泡沫塑料、聚苯乙烯硬泡沫塑料吹塑纸。聚苯乙烯泡沫塑料是常见的普通泡沫塑料, 经过热轧加工后, 颗粒变的细而紧密, 其密度和强度可以得到较大提高。 3 夹层板材的设计 本次设计, 尝试了一种以热轧聚苯泡沫片为主芯, 使用桐木片为外表加强的夹层材料, 这种材料集合了硬质泡沫的轻质、结构强和木材特殊的纹向结构强度等优点, 两者又能互补之间的缺点。 使用三层厚度为5 mm的热轧硬质聚苯泡沫板为芯, 外层用2 mm厚的桐木板作为外表面, 使用6101环氧树脂胶进行粘合, 桐木板的木纹方向与杆的长度方向一致。 由于尾力臂为100 cm, 主翼翼弦为31.6 cm, 尾翼翼弦为22 cm。其中飞机的尾力臂是指主翼压力中心与水平尾翼压力中心的距离, 一般而言, 机翼的压力中心位于机翼前部1/3翼弦处: 在设计时, 机身在前部留有10 cm与机头连接, 在尾部要与水平尾翼连接, 而水平尾翼后部1/3的面积是留给控制舵面的, 所以制作出来的夹层杆长度为: 夹层杆横截面的宽度和高度比设定为2/5, 其中夹层杆截面宽度为3层泡沫板的厚度加上2层桐木板的厚度即:3×5+2×2=19 (mm) 加上板与板之间的树脂胶, 制作出来的夹层材料实际厚度为20mm。由此可知: 为了使机身横向稳定性更可靠, 在实际制作中, 夹层杆的上下两个平面使用3mm的桐木板作为表面, 这样就可得到泡沫芯的尺寸为: 此种夹层板在飞行时, 尾部和自身的重量将全部施加其上, 其所受的纵向力矩会比横向力矩大的多, 所以外表木板采用纵向包裹的形式, 即:上下两个3 mm的桐木板宽度为20 mm, 左右两边2 mm的桐木板宽度为44 mm, 这样就保证了夹层杆在受力弯曲时左右两片木板不会与泡沫芯的粘合表面发生过度错位而脱离。 此外, 由于购置材料的最大尺寸只有1 0 0 0 mm, 而需要制作的夹层杆长度为1130 mm, 这样每一个木质表面都要用两块板材来制作, 为了不使材料的接合缝重合而造成强度危险区, 且更不能将接缝置于靠近机翼的一边, 于是制作时使用两片长分别为630 mm和600 mm的桐木板作为下表层, 两片长度分别为400 mm和730mm的桐木板作为上表面, 两片长为1000 mm和130 mm的桐木板作为左右表面, 就将材料的接缝尽量散布在机身尾部, 保证了材料强度的安全性。 最后, 由于尾翼重量很轻, 为减小机身杆的尾部尺寸, 尾部长度为500 mm的机身的横截面高度由正常的50 mm逐渐缩小到尾部的30 mm, 在制作时直接将泡沫芯做成尾部渐收的形状, 再将木板用6101环氧树脂封装。 4 试飞与应用结论 试飞工作前期主要是不携带机翼和携带机翼两种情况下的试滑跑, 而后进行70%最大发动机功率空载及满载试飞行, 最后试验载荷操纵与投放系统。经过多次试飞及实际拍摄应用, 本次设计的无人机均圆满地完成了任务, 达到了任务目的和指标要求。亦证明了此种夹层板材的强度适用于此类小型无人的要求。 摘要：夹层材料是一种极具想象力的材料, 它甚至与特殊材料并为当代新型材料的两大发展方向, 具有难以度量的发展空间。本文介绍了一种用于特定用途无人机的夹层板材设计方案, 并通过多次实践检验了其强度与可靠性。 关键词：夹层材料,无人机,板材 参考文献 [1]谢础.航空模型[M].北京:航空知识杂志出版社, 2000. 关键词：固定翼,无人机,飞行控制,设计 无人机UAV(Unmanned Aerial Vehicle)是指由无线电遥控或自主程序控制的无人驾驶飞行器。近年来,随着各种高新技术的迅猛发展,无人机技术得到重大革新。在军事领域,无人机广泛承担着空中攻击、侦查、特种作战、反坦克、反潜、空中无线电中继或诱导、预警和电子干扰等多种任务。在环境监控测量和防灾救援保障等民用领域,无人机也发挥着极其重要的作用[1]。 按照飞行方式的不同,无人机可分为旋翼式无人机和固定翼式无人机。在实际运用中,固定翼无人机以其高速度、长距离等特点,受到普遍的关注。 1 固定翼无人机飞行控制原理 无人机飞行控制技术是集嵌入式技术、传感器技术、GPS导航技术、通讯技术、任务规划控制技术和编程技术等多技术融合的综合应用技术。典型的固定翼飞行控制系统主要采用双层PID控制模式(如图1所示),分别为导航控制和姿态控制。 导航控制主要解决航迹规划问题(定位信息由GPS提供),设定飞机的航速、高度等航迹信息后,由优化算法得出姿态控制需要的俯仰角、油门以及横滚角等参数,交付给姿态控制层进一步处理,转化成具体的姿态控制。当姿态控制层得到实时数据信息时,结合当前的姿态数据,得出合理的舵机控制量,完成航迹规划所需要的姿态调整。姿态控制本身也是一个负反馈过程。当飞机偏离正常状态时,根据传感器反馈的具体偏离信息,输出相应的负反馈信号,经过合适的增益处理,控制姿态调整。遇到特殊或者紧急情况时,飞行控制系统可以通过无线通信链路,及时建立与地面控制中心的联系,根据指令进行相应调整。 飞控系统主要完成以下工作[2]:位置、高度、空速、角速率、加速度等各种状态量的检测;采集信号与信息处理;输出控制信号实现对舵机及油门的精确控制;建立与地面控制中心的无线通信,传输数据参数和接受控制指令;视频采集传输等扩展应用。 2 固定翼无人机飞控系统的硬件设计 主流的飞行控制系统主要以DSP、ARM和单片机为主控制器,搭配以角速度陀螺仪、加速度计、高度计、空速计、磁力计、GPS以及其他应用传感器等构成的微机电系统(MEMS),配合Futaba为代表的伺服电机作为执行机构组成[3]。相比于传统的DSP、ARM和单片机,本文选用的Intel Atom E645C处理器是针对小型设备研发,具有处理能力强、功耗低等特点,既能满足系统设计对灵活性的要求,也能简化设计的复杂性。机载系统框图如图2所示。 2.1 数据采集单元设计 数据采集单元主要完成传感数据采集和GPS定位等功能。实时的传感、定位信息经数据采集单元转换成处理控制单元能够识别处理的信号,调整飞机航迹与姿态,保证无人机的正常飞行。数据采集单元设计主要包括传感器模块设计和ADC模块设计等。 传感器模块设计的关键在于传感器件的选择。针对系统整体性能指标,考察国内外微小无人机领域的MEMS传感器的最新应用情况,综合考量价格、重量、体积和功耗后,本系统选用的传感器件及用途如表1所示。 ADC模块主要功能是将传感器收集到的模拟信号转换为数字信号,更新固定翼无人机的实时姿态信息和航迹,以便进行姿态调整和航迹控制。ADC模块的设计主要考虑以下几个方面:分辨率、精度、转换电压范围、转换时间、转换通道数、数字输出方式、成本和功耗等。 结合系统实际,设计选择了具有8通道12位分辨率的ADS7844模数转换芯片。模拟信号经前端电路调理、滤波和放大后,进入模数转换芯片实现数字化转换,最后通过同步串行接口输出。 2.2 处理控制单元设计 为了突出高处理能力、低功耗等特点,系统选择了广州致远公司开发的基于Intel Atom E645C处理器的EPCM-505C-ESDC平台作为主控开发平台,处理平台结构如图3所示。平台板载资源丰富:处理器主频高达1GHz,具有强大的图形处理和视频编解码能力;内部封装的单片FPGA提供了足够的可编程空间以集成其自己的知识产权或使用搭建嵌入式系统的现成第三方知识产权;内部存储器采用1G DDR2 800MT/S内存;通过板载的SATA接口,系统挂接了20G硬盘作为程序和数据存储空间;外部接口包含CAN总线接口、RS232 、RS485、USB接口以及VGA接口等。平台还带有分辨率为800×480的液晶屏用于人机交互,便于系统开发。 通过PCI-E总线,FPGA直接实现了与主处理器高速稳定的数据传输交换。根据系统控制需要,FPGA利用多种IP核直接产生接口电路或者以存储器映射接口芯片的方式与外部设备建立了通信。同时,FPGA产生相应的PWM信号,经过隔离、放大处理后直接驱动舵机,实现对飞行的直接控制。 2.3 无线通信与视频传输单元设计 无线通信是本系统设计的重点环节,无人机机载处理控制单元通过无线通讯链路与地面控制中心进行通讯,接受地面控制中心的控制指令。同时,将无人机的飞行参数和GPS定位信息传送给地面控制中心,完成本地主机的监控和显示。 系统采用XBee无线数传模块作为数据链路,实现无人机和地面控制站的无线通讯。XBee是基于ZigBee技术的无线传输模块,具有远距离、低功耗的特点,频段可选2.4G,900M,868M三种,同时兼容802.15.4协议,通过内置的协议栈,只需要简单地把数据输入,无线连接的另一端就能自动接收。 视频通过USB高清摄像头采集,可选择存储于机载大容量数据存储器,也可利用处理器采用高实时性的视频压缩编码算法MPEG4进行视频压缩,通过建立的CDMA无线通信通道,实现视频数据的大容量传输和实时显示功能。 3 固定翼无人机飞控系统的软件设计 固定翼无人机飞控系统的软件设计主要包括主程序设计、传感数据采集处理以及视频采集传输设计等。Intel Atom E645C处理器支持Windows Embedded Standard 7*操作系统,可以将PC机上开发的应用程序直接移植到处理器,简化了开发流程,降低了开发难度。 3.1 飞行控制主程序设计 飞行控制主程序主要运用经典控制理论中的PID算法。首先进行系统初始化,对系统、ADC模块、各类接口和传感器芯片进行设置。当机载飞行控制系统启动后,不断更新GPS、传感器等数据信息,并不断检测与地面控制中心的无线通信联络。如果有新的航迹规划任务,即刻更新规划目标,对航向角、高度和速度等重新进行设置,最终通过FPGA,转化成执行单元需要的具体控制量交付执行。同时,针对自身状态进行安全评估,在自身出现意外状况或者通信系统异常的情况下,判断能否自主修复。在不能自主修复或者已完成预定目标的情况下,加载预定信息返航。飞行控制的主程序流程图如图4所示。 3.2 传感数据采集处理 在飞行控制系统中,准确实时获取飞行器的姿态信息,是整个控制系统的关键。陀螺仪获取的飞行器姿态信息具有较好的动态特性和短时精度,但误差会随时间累积;加速度计虽然具有长期稳定性,但受飞行器机动加速度影响较大[4]。因此,系统引入Kalman滤波器,对陀螺仪和加速度计的输出信息进行融合和校正,可以获得静态漂移和动态特性较好的最优姿态估计。算法实现如下[5]: (1) 读取陀螺仪数据u; (2) 更新系统状态预测x=A·x′+B·u,A、B为系统状态方程确定的矩阵; (3) 读取加速度计数据y; (4) 计算过程更新Inn=y-C·x,其中C=(1 0); (5) 计算协方差S=C·P·CT+Sz,P为误差协方差矩阵,Sz为测量噪声协方差矩阵,Sz=E(zkzundefined); (6) 计算卡尔曼增益K=A·P·CT·s-1; (7) 更新状态估计x′=x+K·Inn; (8) 计算预测误差的协方差P=A·P·AT-K·C·P·AT+Sω,Sω为噪声协方差矩阵,Sω=E(x xT)。 3.3 视频采集传输设计 系统采用高性能、低功耗的处理平台,能够进行更多高级应用,实现系统可扩展性功能。视频采集与实时传输就是其中的突出体现。 MPEG-4是一种编码效率较高,传输速率要求低的视频和音频编码算法。它能利用较窄的带宽,通过帧重建技术压缩和传输数据,以求以最少的数据获得最佳的图像质量。MPEG-4 从时间和空间两个方面去除视频信息的相关性实现信息的压缩编码[6]:编码利用相邻帧信息的相关性,通过传输相邻帧的差去除图像信息时间上的相关性;针对帧内图像,通过离散余弦变换(DCT)去除帧内空间信息的相关性。 系统选择了开源的Xvid作为本系统的视频编解码器,视频采集流程图如图5所示,视频压缩编码流程图如图6所示。高清摄像头采集的视频数据通过视频编码器压缩编码后,可选择存储在机载大容量存储器中,也可通过无线CDMA通道传输到地面控制中心实时显示。视频解码是编码的逆过程。 4 结束语 本文对小型固定翼无人机的飞行控制系统进行了研究,设计了一种基于Intel Atom E645C处理器的小型固定翼无人机飞行控制系统。在设计中,对处理器、FPGA采用了平行开发、调试,较好地实现了固定翼无人机的飞行控制功能。本系统处理单元性能优越,具有强大的可扩展性,为高度智能和多功能结合的无人机设计提供了广阔的思路。 参考文献 [1]淳于江民,张珩.无人机的发展现状与展望[J].飞航导弹,2005(2):23-27. [2]郝恩敬,肖前贵,李志宇.小型无人机飞行控制器硬件设计[J].信息化研究,2009,35(8):51-54. [3]梅羡林.基于ARM的嵌入式SUAV飞控系统设计与实现[D].南京:南京航空航天大学,2008:24-27. [4]Pu L,Wang T M,Liang J H,et al.An Attitude EstimateApproach Using MEMS Sensors for Small UAVs[J].Pro-ceedings of 2006 IEEE International Conference on Indus-trial Informatics,Singapore,2007:1113-1117. [5]王帅,魏国.卡尔曼滤波在四旋翼飞行器姿态测量中的应用[J].兵工自动化,2011,30(1):73-80.小型无人机导航系统硬件设计 篇4
小型无人机 篇5
小型无人机 篇6
小型无人机导航系统的探索与研究 篇7
小型无人机航拍研究之地面站设计 篇8
小型无人机 篇9
小型无人机 篇10
小型无人机 篇11