淺談多旋翼無(wú)人機(jī)任務(wù)系統(tǒng)的優(yōu)秀論文
前言：隨著無(wú)人機(jī)產(chǎn)品的不斷增加，市場(chǎng)之間的競(jìng)爭(zhēng)力，也逐漸的提升，對(duì)此本項(xiàng)目研究出了更適合于工業(yè)控制、自動(dòng)化裝備等領(lǐng)域產(chǎn)品的多旋翼無(wú)人機(jī)，產(chǎn)品不僅定位合理，同時(shí)與其他產(chǎn)品存在一定的差異，該任務(wù)系統(tǒng)，是指先進(jìn)智能裝備數(shù)據(jù)鏈的無(wú)人多旋翼任務(wù)，存在較高的能量利用效率、載荷運(yùn)輸性能，是其它無(wú)人機(jī)產(chǎn)品，在技術(shù)方面不能相比的;制定合理的市場(chǎng)規(guī)劃，會(huì)給企業(yè)帶來一定的經(jīng)濟(jì)效益。
1 多旋翼無(wú)人機(jī)定義概述
我們常稱無(wú)人飛行載具，為無(wú)人飛機(jī)系統(tǒng)，主要是利用無(wú)線電智能遙控設(shè)備，以及自帶的控制程序裝置，對(duì)于不載人的飛機(jī)進(jìn)行操控。其中廣義的無(wú)人機(jī)，包括狹義無(wú)人機(jī)以及航模。
多旋翼飛行器，主要由動(dòng)力系統(tǒng)、主體、控制系統(tǒng)組成，動(dòng)力系統(tǒng)包括電機(jī)、動(dòng)力、電子調(diào)速器、槳;主體部分包括機(jī)架、腳架、云臺(tái);控制系統(tǒng)包括由遙控接收器、遙控組成的手動(dòng)控制;地面站，以及由主控、GPS、IMU、電子陀螺、LED顯示屏組成的飛行控制器。其中四旋翼，是一種4輸入6輸出的欠驅(qū)動(dòng)系統(tǒng);通過PID、，魯棒、模糊、非線性、自適應(yīng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制。近年來，對(duì)于系統(tǒng)的控制功能的研究趨勢(shì)，為大荷載、自主飛行、智能傳感器技術(shù)、自主控制技術(shù)、多機(jī)編隊(duì)協(xié)同控制技術(shù)、微小型化等方向。其中一些關(guān)鍵技術(shù)為，數(shù)學(xué)模型的建立、能源供給系統(tǒng)、飛行控制算法、自主導(dǎo)航智能飛行。
2 控制系統(tǒng)改進(jìn)發(fā)展階段
多旋翼無(wú)人飛行器的控制系統(tǒng)，最初是由慣性導(dǎo)航系統(tǒng)，借助了微機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)，形成了EMES慣性導(dǎo)航系統(tǒng);經(jīng)過對(duì)于EMES去噪聲的研究，有效的降低了其傳感器數(shù)據(jù)噪音的問題，最后經(jīng)過等速度單片機(jī)、非線性系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的研究、應(yīng)用，最終在2005年，制作出了性能相對(duì)穩(wěn)定的多旋翼無(wú)人機(jī)自動(dòng)控制飛行器。對(duì)其飛行器的評(píng)價(jià)，可從安全性、負(fù)載、靈活性、維護(hù)、擴(kuò)展性、穩(wěn)定性幾方面要素進(jìn)行分析。具有體積小、重量輕、噪音小、隱蔽性強(qiáng)、多空間平臺(tái)使用、垂直起降，以及飛行高度不高、機(jī)動(dòng)強(qiáng)、執(zhí)行任務(wù)能力強(qiáng)的特點(diǎn);在結(jié)構(gòu)方面，不僅安全性高、易于拆卸維護(hù)、螺旋槳小、成本低、靈活控制的特點(diǎn)。
3 技術(shù)原理
3.1系統(tǒng)組成
無(wú)人多旋翼任務(wù)系統(tǒng)，總體技術(shù)方案框圖如圖1所示;如圖所示，無(wú)人多旋翼任務(wù)系統(tǒng)，由無(wú)人機(jī)、地面工作站構(gòu)成。無(wú)人機(jī)，由多旋翼無(wú)人機(jī)、任務(wù)載荷組成;地面工作站，由數(shù)據(jù)鏈通信單元、工業(yè)控制電腦、飛行控制搖桿等組成。
3.2系統(tǒng)技術(shù)原理
3.2.1多旋翼無(wú)人機(jī)，通過對(duì)于螺旋槳微調(diào)的推力，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的飛行姿態(tài)控制、維持。經(jīng)過上述，對(duì)于多旋翼無(wú)人機(jī)、常規(guī)直升機(jī)、固定翼飛機(jī)的對(duì)比，可以明顯的看出，多旋翼無(wú)人機(jī)，在任務(wù)飛行方面，具有多能量的優(yōu)勢(shì)，從而更好的執(zhí)行完成飛行任務(wù)，改善了飛行姿態(tài)維持，消耗大量能量的缺陷，從而更好的保證了其能量利用率，直接產(chǎn)生續(xù)航時(shí)間、載荷運(yùn)輸性能的提升;在結(jié)構(gòu)方面，做了大量的簡(jiǎn)化，省去了傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，使其運(yùn)行噪音、故障概率、維護(hù)成本大大的降低。
3.2.2無(wú)人機(jī)，與地面工作站之間的通信，通過設(shè)備數(shù)據(jù)鏈實(shí)現(xiàn)連接，起到通信中介的作用，同好也是無(wú)人機(jī)、地面工作站之間，實(shí)現(xiàn)地空信息交換的重要橋梁環(huán)節(jié)。以往無(wú)人機(jī)，對(duì)于地空信息的轉(zhuǎn)換連接，只是普通的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信，收到信號(hào)傳輸距離的影響，性能發(fā)揮受到嚴(yán)重的影響，只能實(shí)現(xiàn)一些簡(jiǎn)單遙控?cái)?shù)據(jù)信號(hào)的傳輸。
但是本項(xiàng)目，對(duì)于無(wú)人多旋翼任務(wù)系統(tǒng)的研究，是通過數(shù)據(jù)鏈協(xié)議MAVLink的研究后，將其合理的嵌入到控制核心、地面數(shù)據(jù)鏈的ARM平臺(tái)中，有效的改善了以往低空信息傳輸環(huán)節(jié)存在的問題，將其遙測(cè)、遙信、遙控、遙調(diào)、遙視這五遙很好的進(jìn)行了統(tǒng)一，保證了通信之間的無(wú)障礙，從根本上解決了無(wú)人機(jī)和地面工作站的數(shù)據(jù)通信問題。其中涉及到的五遙;其中遙測(cè)，是指對(duì)于遠(yuǎn)方的電壓、電流、功率、壓力、溫度等模擬量進(jìn)行測(cè)量;其中遙信，是指對(duì)于遠(yuǎn)方的電氣開關(guān)、設(shè)備，以及機(jī)械設(shè)備的工作、運(yùn)行等狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)視;遙控，是指對(duì)于遠(yuǎn)方電氣設(shè)備、電氣機(jī)械化裝置工作狀態(tài)的控制、保護(hù);遙調(diào)，是指對(duì)于遠(yuǎn)方所控設(shè)備的工作參數(shù)、標(biāo)準(zhǔn)流程等進(jìn)行設(shè)定、調(diào)整;遙視，是指對(duì)于遠(yuǎn)方設(shè)備的安全運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)視、記錄。
3.2.3傳統(tǒng)的無(wú)人機(jī)，在飛行時(shí)需要通過人工對(duì)于遙控器的操作，對(duì)其飛行姿態(tài)進(jìn)行的控制，體現(xiàn)出其自動(dòng)程序的不完善，功能單調(diào)等缺陷。但是本項(xiàng)目對(duì)于無(wú)人機(jī)的研究，在地面工作站，通過飛行任務(wù)規(guī)劃軟件的配套，有效的改善了以往功能單一的缺點(diǎn)，直接增加了其功能性。其中飛行任務(wù)規(guī)劃軟件，具備GoogleMap高速API接口，實(shí)現(xiàn)對(duì)于無(wú)人機(jī)飛行航線，在三維地圖上的簡(jiǎn)易規(guī)劃，同時(shí)也能對(duì)其航線進(jìn)行啟動(dòng)，使其實(shí)現(xiàn)自動(dòng)巡航、執(zhí)行飛行任務(wù)、返航等操作。
4 技術(shù)關(guān)鍵點(diǎn)及創(chuàng)新點(diǎn)
4.1技術(shù)關(guān)鍵點(diǎn)：
4.1.1地空信息的的數(shù)據(jù)通信。
先進(jìn)智能裝備數(shù)據(jù)鏈協(xié)議MAVLink的應(yīng)用，能夠?qū)ζ渌袛?shù)據(jù)進(jìn)行有效的整合，并全部歸納在數(shù)據(jù)鏈路中，整合五遙操作，有效的降低了多種通信制式、通信模塊存在等方面的問題，提高了通信效率，保證了通訊功能得以有效發(fā)揮。
4.1.2解決飛行姿態(tài)操控問題
嵌入式操作系統(tǒng)，在ARM處理器平臺(tái)上的應(yīng)用，加上陀螺儀等傳感器、卡爾曼濾波等先進(jìn)算法，從而更好的保證了控制系統(tǒng)的功能增加，除此之外，不僅實(shí)現(xiàn)了無(wú)人操作飛行，在飛行操縱方面，也有效的降低了能耗，增加了能量利用率。
4.1.3在工業(yè)控制領(lǐng)域應(yīng)用的擴(kuò)展
本項(xiàng)目以同一載具+多種載荷的建設(shè)、研究思路，針對(duì)于型號(hào)相同的多旋翼飛行器，設(shè)計(jì)一樣的數(shù)據(jù)、電氣、機(jī)械接口的任務(wù)載荷，實(shí)現(xiàn)快速更換載荷，使其飛行任務(wù)之間，能夠良好、穩(wěn)定的切換、銜接，保證該系統(tǒng)的實(shí)用性，同時(shí)也減少了任務(wù)執(zhí)行的成本。
4.1.4增強(qiáng)地面工作站功能
通過C/S架構(gòu)、C#語(yǔ)言、.net平臺(tái)、三維GoogleMap、SQL數(shù)據(jù)庫(kù)，以及地面任務(wù)規(guī)劃軟件、分析數(shù)據(jù)分析軟件，從而更好的增強(qiáng)地面工作站的功能，以及自動(dòng)化、智能化的程度,更好的為用戶操作，帶來更多的便利。
4.2項(xiàng)目的技術(shù)創(chuàng)新性
4.2.1在無(wú)人機(jī)、地面站，在植入數(shù)據(jù)鏈MAVLink的同時(shí)，加強(qiáng)整體系統(tǒng)功能的改進(jìn)，有效的實(shí)現(xiàn)了五遙的綜合統(tǒng)一。
4.2.2卡爾曼濾波、四元數(shù)算法，加上嵌入式ARM平臺(tái)，對(duì)其飛行姿態(tài)實(shí)現(xiàn)有效控制。
4.2.3同一載具+多種載荷思路的研究，實(shí)現(xiàn)了無(wú)人機(jī)，對(duì)任務(wù)執(zhí)行模式的有效轉(zhuǎn)換。
4.2.4同時(shí)地面任務(wù)規(guī)劃軟件、分析數(shù)據(jù)分析軟件的應(yīng)用，提高了系統(tǒng)的控制功能，以及系統(tǒng)智能化程度。
5 總結(jié)
綜上所述，通過對(duì)于無(wú)人多旋翼任務(wù)系統(tǒng)的分析，發(fā)現(xiàn)我國(guó)針對(duì)于此方面的研究，仍存在很多不完善的地方，該項(xiàng)目通過C/S架構(gòu)、C#語(yǔ)言、先進(jìn)智能裝備數(shù)據(jù)鏈、分析數(shù)據(jù)分析軟件等，照比以往的無(wú)人機(jī)飛行器，在系統(tǒng)功能改進(jìn)方面，實(shí)現(xiàn)了遙測(cè)、遙信、遙控、遙調(diào)、遙視的統(tǒng)一;在任務(wù)執(zhí)行模式方面，實(shí)現(xiàn)了靈活轉(zhuǎn)換;在飛行姿態(tài)方面，實(shí)現(xiàn)了智能操控;是在已有多旋翼飛控技術(shù)的基礎(chǔ)上，有效的規(guī)避了其以往的缺陷，同時(shí)自主飛行控制軟件編程，這種飛控任務(wù)的提供，有效的實(shí)現(xiàn)了飛行中，自主導(dǎo)航智能飛行。
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