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  • 小型無人直升機自主控制系統介紹
    責任編輯:lng    瀏覽:5521次    時間: 2008-01-31 08:33:49    | 來源:采集所得   

    摘要:摘要:介紹了一種小型無人直升機的自主控制系統,該系統可以實現小型無人直升機的自主姿態控制、任務規劃、視頻圖像處理等功能,具有模塊化程度高、成本低等優點。系統分為機載部分和地面站部分,機載部分負責飛機姿態控制,地面站部分負責任務規劃及圖像處理。機載..

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    摘要:介紹了一種小型無人直升機的自主控制系統,該系統可以實現小型無人直升機的自主姿態控制、任務規劃、視頻圖像處理等功能,具有模塊化程度高、成本低等優點。系統分為機載部分和地面站部分,機載部分負責飛機姿態控制,地面站部分負責任務規劃及圖像處理。機載部分各模塊之間采用雙余度總線通訊,可有效提高通訊可靠性。
    關鍵詞:無人直升機;控制;系統結構

    Abstract: This paper gives an introduction to the flight control system of a small unmanned helicopter. The system is able to achieve automatic control of attitude, mission planning and video processing, and has the feature of high modularization and low cost. This system could be separated to on-board system and ground station, on-board system is in charge of helicopter attitude control, ground station is in charge of mission planning and video processing. Different modules of on-board system communicate through dual-redundancy buses, which could increase communication reliability effectively.
    Key words: Unmanned helicopter; Control; System structure

        近年來國際上各種無人機技術突飛猛進,國外許多型號的無人機已經可以參與實戰,比如美國的全球鷹、捕食者等。相比較而言,我國在無人機技術上仍有很大差距。作為國際無人機技術的一個縮影,國際空中機器人比賽的經過十幾年的發展到今天,比賽水平已經有了相當大的提高。參賽隊圍繞不斷提高的比賽目標要求,從系統架構到底層實現以及控制算法都做出了許多創新性的工作,有許多相關論文發表在IEEE的期刊上。
        為了促進國內對無人機技術的研究,提供一個相互競爭和學習交流的機會,培養高素質的航空航天人才,中國自動化學會機器人競賽工作委員會和科技部高技術研究發展中心舉辦的中國空中機器人大賽將每年舉辦一屆。中國空中機器人大賽的口號是“自主翱翔,放飛理想”,比賽按旋翼、固定翼兩類飛行器分組進行。本文對清華大學“清揚隊”參加首屆大賽的無人直升機作一介紹。
    1  整體系統結構
        整個系統可以分為機載部分和地面部分,機載部分負責維持飛機的穩定飛行并提供圖像信息給地面部分,地面部分根據飛機的狀態以及得到的圖像信息作出下一步飛行的目標規劃并發送給機載部分,同時為了確保安全,防止自主飛行機構失控,添加可由操作手控制的控制器,在緊急情況下切換到操作手遙控方式。地面部分與機載部分之間有兩條數據鏈路―一條負責傳送圖像;一條負責傳送飛行狀態和指令。地面部分可以分為地面站和圖像處理平臺,前者與機載飛行控制器通訊以發送控制命令并獲得飛機狀態信息,后者獲取機載攝像頭的圖像并做處理以搜尋比賽目標。具體將在后面兩部分詳述。


    圖1  整體系統結構圖

    2  機載控制系統
        為了完成自主飛行任務,飛機需要相關功能部件完成對飛機狀態信息的采集、對執行部分的控制以及對地面站命令的響應等功能。在無人機上,替代飛行員或操作手完成飛行任務的自主機構包括圖像設備、飛控模塊、高度測量、舵機控制、數據鏈路以及航姿儀等,如圖2所示。


    圖2  控制系統模塊構成

        各個模塊之間相對獨立,均可單獨完成一定的功能,模塊之間的相互連接采用總線實現,便于安裝和系統集成。雖然采用的總線是較可靠的通訊標準,但是在直升機實際飛行的環境中存在震動、電磁等干擾因素,可能影響到數據傳輸的可靠性,為了保證正確的數據傳輸,采用了兩套互為備份的總線系統―422總線和CAN總線。CAN總線對于數據包的傳送更為方便,克服了422總線只能采用主從模式以及工作在輪詢模式的缺點,并且具有更高的數據傳輸速度。
    2.1  飛行控制計算機
        飛行控制計算機是直升機的中央控制單元,負責飛機上各個單元的協調工作,并與地面站之間進行數據傳輸。同時根據控制算法和地面站的命令,保持飛機以一定的姿態飛行。飛控計算機處理器采用德州儀器(Texas Instruments,TI)公司適用于控制的TMS320F2812 DSP,具有多路數字總線和模擬采樣通道,功耗低,運算速度足以滿足實時控制的需要。
        直升機模型較為復雜,而且通道之間存在耦合,如果考慮復雜情況則控制率較難實現,所以采用簡單的PID控制器分通道進行控制,為了解決非線性問題,采取不同狀態下采用不同參數的控制方法。具體將飛機飛行狀態劃分為起飛、降落、懸停、向左、向右等狀態,在不同狀態下設定不同的控制目標值。例如,懸停狀態高度設定為固定值,俯仰、滾轉以及偏航的角度都設置為零,利用四個不同的控制器分通道控制,使得飛機姿態達到設定值。以偏航方向的控制為例,如圖3所示。


    圖3  偏航方向控制示意圖

    2.2  導航系統
        為了實現對直升機姿態的控制,需要有飛機各個方向的速度位置姿態信息等,慣性導航系統的算法通過對慣性測量單元(IMU)提供的加速度和角速度的積分,得到機體的位置、速度和姿態信息(PVA)。從硬件上來說,該模塊是實現了對各個加速度和角速度傳感器的信息采集,但是僅僅通過以上簡單的慣導算法本身很難得到有用的信息,慣性傳感器的漂移和定步長積分的累計誤差會使計算結果很快偏離實際值。導航系統必須考慮這些誤差因素并對得到的PVA結果作出修正。


    圖4  導航系統模塊

        慣性導航模塊的設計目標是實現一個獨立的數字捷聯慣導系統:采集慣性敏感元件的輸出信號并進行解算,給出飛行器相對與給定坐標系的運動信息,通過總線實時地發送給飛行控制計算機。采集的傳感器信號包括三軸的加速度、角速度、地磁在三軸的分量以及GPS(全球定位系統)信號。通過各種傳感器信號的信息融合,可以有效提高導航系統的可靠性和精度。
    2.3  超聲波測高模塊
        雖然GPS系統或者慣導系統都可以提供高度信息,但是對于實現直升機起飛降落這樣的任務來說,這些高度信息的精度是無法滿足要求的,需要有超聲測距、紅外測距或者激光測距等高精度的距離測量方法。激光測距的精度較高,但是購買的成本較高,自主開發的難度也更大;紅外測距的作用距離有限,同樣存在著開發難度較大的問題;超聲測距結合了測量距離較遠(可測10m)以及開發難度低的優點,因此選擇超聲高度測量方案。另外超聲波具有指向性強,能量消耗緩慢,在介質中傳播的距離較遠等優點,因而超聲波經常用于距離的測量,如測距儀和物位測量儀等都可以通過超聲波來實現。利用超聲波檢測往往比較迅速、方便、計算簡單、易于做到實時控制,并且在測量精度方面能達到工業實用的要求,因此在移動機器人的研制上也得到了廣泛的應用。
        高度測量模塊的主要工作過程如下:超聲波發射器向某一方向發射超聲波,在發射時刻的同時開始計時,超聲波在空氣中傳播,途中碰到障礙物反射回來,超聲波接收器收到反射波即停止計時。超聲波在空氣中的傳播速度為340m/s,根據計時器記錄的時間,就可以計算出發射點距障礙物的距離。
    2.4  舵機驅動模塊
        舵機是無人直升機上的執行機構,通過操縱舵機來改變主旋翼的槳葉角度和槳盤角度以及尾槳的槳葉角度,就可以控制作用于飛機上的力和力矩,從而改變機體飛行狀態。比賽用直升機仍然采用航模直升機的舵機,該舵機輸入為PWM(脈寬調制)信號,脈沖寬度對應于舵機的位置。
       為了實現可靠的控制,防止在一定條件下飛機失控,在舵機模塊增加控制切換功能,即可以通過飛控計算機控制或者通過遙控手直接遙控。


    圖5  陀機驅動模塊

    3  地面系統
        地面系統負責與機載部分通訊,發送控制指令,接收飛機狀態信息并處理飛機發回的圖像信息。具體分為視覺處理部分以及地面站部分。
    3.1  視覺處理
        視覺是無人機的一個重要部分,無人機的一個重要應用―無人偵察,就是以計算機視覺為基礎。視覺程序的目的是:從直升機上面的攝像頭拍到的圖片中檢測出固定的幾類圖標的位置。整個檢測過程分為兩個階段,第一個階段從圖片中檢測出圖標所在矩形的位置,并放縮為32*32大小的標準矩形;第二個階段對這個標準矩形進行判斷,決定它是哪類圖標。
        三個標準圖標如圖6所示。


    圖6  三個標準圖標

        第一階段獲取矩形位置的流程是如下。圖7為攝像頭傳回的一幀圖片。


    圖7  攝像頭傳回的一幀圖片

        首先從攝像頭傳回的視頻中得到一幀圖片,將其轉換為灰度圖;然后對其進行均值濾波平滑處理,消除掉圖片上的一些雜質;接下來進行sobel邊緣檢測,將矩形從圖像中分離出來,在邊緣檢測的同時也進行了閾值化的過程。得到區域邊緣后還需要判斷是不是矩形或者平行四邊形,只有矩形或者平行四邊形的區域可能是目標區。
        第二階段需要判斷32*32大小的區域是哪一個圖標。方法是:把32*32大小的區域認為是1024的一個向量空間,事先準備好3幅標準圖標,每幅圖標有4個方向,所以一共是12類圖標,根據轉換矩陣計算每類圖標在向量空間中的位置;然后把第一階段得到的區域乘以轉換矩陣,得到它在向量空間中的位置,判斷它和那一類圖標最接近,就屬于哪一類,并計算出匹配度,匹配度低于某個值則認為是干擾目標。圖8為識別出的圖標,m1、m2、m3分別指出圖標屬于哪一類,59、66、77是該區域對于那一類圖標的匹配度。


    圖8  識別出的圖標

    3.2  地面站
        地面控制站程序的作用是觀察飛機的各項飛行信息,包括GPS信息、飛機狀態信息、飛行航跡信息等,并可以發送命令對其進行控制。地面站和飛機之間的通訊遵循設定好的測控協議。地面站界面如圖9所示。


    圖9  地面站界面

        左邊空白處的文字是顯示飛機發送回來的GPS信息和三軸線加速度、角速度信息。
        界面右邊的各項文字、儀表顯示了飛機的各種狀態信息,可以用于分析飛機的運行情況,其中右中的4個操縱桿可以給飛機設定升降舵、方向、風門、副翼四個參量。界面下方的按鈕群是主要的操作部分,可以通過點擊相應按鈕進行各種操作。界面最底下的一欄是狀態欄,顯示了一些程序運行的信息。
        地面站和視覺程序結合起來,利用飛機當前的高度、航向以及飛機所處的位置,可以計算出圖標的實際經緯度信息,這也是比賽的最終要求。

    參考文獻:
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