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無(wú)人機(jī)飛控系統(tǒng)的原理、組成及各傳感器的作用
來(lái)源:人工智能產(chǎn)業(yè)鏈聯(lián)盟 | 作者:佚名 | 發(fā)布時(shí)間: 2021-08-17 | 40227 次瀏覽 | 分享到:
隨著芯片、人工智能、大數(shù)據(jù)技術(shù)的發(fā)展,無(wú)人機(jī)開(kāi)始了智能化、終端化、集群化的趨勢(shì),大批自動(dòng)化、機(jī)械電子、信息工程......

飛控最基本的功能控制一架飛機(jī)在空中飛行時(shí)的平衡,是由IMU測(cè)量,感知飛機(jī)當(dāng)前的傾角數(shù)據(jù)通過(guò)編譯器編譯成電子信號(hào),將這個(gè)信號(hào)通過(guò)信號(hào)新時(shí)時(shí)傳輸給飛控內(nèi)部的單片機(jī),單片機(jī)負(fù)責(zé)的是運(yùn)算,根據(jù)飛機(jī)當(dāng)前的數(shù)據(jù),計(jì)算出一個(gè)補(bǔ)償方向,補(bǔ)償角,然后將這個(gè)補(bǔ)償數(shù)據(jù)編譯成電子信號(hào),傳輸給舵機(jī)或電機(jī),電機(jī)或舵機(jī)在去執(zhí)行命令,完成補(bǔ)償動(dòng)作,然后傳感器感知到飛機(jī)平穩(wěn)了,將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)再次給單片機(jī),單片機(jī)會(huì)停止補(bǔ)償信號(hào),這就形成了一個(gè)循環(huán),大部分飛控基本上都是10HZ的內(nèi)循環(huán),也就是1秒刷新十次。

這就是飛控最基本的功能,如果沒(méi)有此功能,當(dāng)一個(gè)角一旦傾斜,那么飛機(jī)就會(huì)快速的失去平衡導(dǎo)致墜機(jī),或者說(shuō)沒(méi)有氣壓計(jì)測(cè)量不到自己的高度位置就會(huì)一直加油門(mén)或者一直降油門(mén)。

其次,固定翼飛控還有空速傳感器,空速傳感器一般位于機(jī)翼上或機(jī)頭,但不會(huì)在螺旋槳后邊,空速傳感器就是兩路測(cè)量氣壓的傳感器,一路測(cè)量靜止氣壓,一路測(cè)量迎風(fēng)氣壓,在計(jì)算迎風(fēng)氣壓與靜止氣壓的壓差就可以算出當(dāng)前的空氣流速。

有了最基本的平衡、定高和指南針等功能,還不足以讓一家飛機(jī)能夠自主導(dǎo)航,就像我們?nèi)ツ硞€(gè)商場(chǎng)一樣,首先我們需要知道商場(chǎng)的所在位置,知道自己所在的位置,然后根據(jù)交通情況規(guī)劃路線。

飛控也亦然,首先飛控需要知道自己所在位置,那就需要定位的,也就是我們常說(shuō)的GPS,現(xiàn)在定位的有GPS、北斗、手機(jī)網(wǎng)絡(luò)等定位系統(tǒng),但是這里面手機(jī)網(wǎng)絡(luò)定位是最差的,誤差好的話幾十米,不好的話上千米,這種誤差是飛控?zé)o法接受的,由于GPS定位系統(tǒng)較早,在加上是開(kāi)放的,所以大部分飛控采用的都是GPS,也有少數(shù)采用的北斗定位。

精度基本都在3米內(nèi),一般開(kāi)闊地都是50厘米左右,因環(huán)境干擾,或建筑物、樹(shù)木之類(lèi)的遮擋,定位可能會(huì)差,很有可能定位的是虛假信號(hào)。這也就是為什么民用無(wú)人機(jī)頻頻墜機(jī)、飛丟的一個(gè)主要原因。

GPS定位

GPS定位原理就是三點(diǎn)定位,天上的GPS定位衛(wèi)星距離地球表面22500千米處,它們所運(yùn)動(dòng)的軌道正好形成一個(gè)網(wǎng)狀面,也就是說(shuō)在地球上的任意一點(diǎn),都有可以同時(shí)收到3顆以上的衛(wèi)星信號(hào)。衛(wèi)星在運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中會(huì)一直不斷的發(fā)出電波信號(hào),信號(hào)中包含數(shù)據(jù)包,其中就有時(shí)間信號(hào)。GPS接收機(jī)通過(guò)解算來(lái)自多顆衛(wèi)星的數(shù)據(jù)包,以及時(shí)間信號(hào),可以清楚的計(jì)算出自己與每一顆衛(wèi)星的距離,使用三角向量關(guān)系計(jì)算出自己所在的位置。

GPS也定位了,數(shù)據(jù)也有了,這個(gè)信號(hào)也會(huì)通過(guò)一個(gè)編譯器在次編譯成一個(gè)電子信號(hào)傳給飛控,讓飛控知道自己所在的位置、任務(wù)的位置和距離、家的位置和距離以及當(dāng)前的速度和高度,然后再由飛控駕駛飛機(jī)飛向任務(wù)位置或回家。

剛剛我們也說(shuō)了,GPS能夠測(cè)速也能夠測(cè)高度,為什么要有氣壓計(jì)和空速計(jì)呢?這就是為了消除誤差。

飛機(jī)飛起來(lái)是不與地面接觸的,直接接觸的是空氣,假設(shè)飛行環(huán)境是無(wú)風(fēng)的環(huán)境,飛機(jī)在地面滑跑加速,加速到每秒20米的速度然后再拉升降舵起飛,這樣GPS測(cè)量到的數(shù)值是準(zhǔn)確的,但是要是逆風(fēng)呢,是因?yàn)闄C(jī)翼與空氣相對(duì)的運(yùn)動(dòng)達(dá)到了一定的速度才能夠產(chǎn)生一定的升力讓飛機(jī)起飛,如果在逆風(fēng)環(huán)境下,風(fēng)速每秒10米,飛機(jī)只需要加速到每秒10米就可以正常離地了,如果加速到每秒20米,相對(duì)空氣的速度已經(jīng)達(dá)到了每秒30米,或者說(shuō)順風(fēng)起飛,風(fēng)速每秒20米,飛機(jī)GPS測(cè)速也達(dá)到了20m/s的速度,這個(gè)時(shí)候拉升降舵,飛機(jī)動(dòng)都不會(huì)動(dòng),因?yàn)橄鄬?duì)空氣速度是0米,達(dá)不到起飛條件,必須加速到每秒40米的時(shí)候才能達(dá)到升力起飛。

這就是空速計(jì)的作用,GPS測(cè)量的只是地速。

剛剛講到,GPS也可以定高,第一GPS定位精度是3米內(nèi),也就是說(shuō)飛控能感知到的是平面方向的兩倍誤差,信號(hào)不好的話十幾米都有可能,還有GPS不定位的時(shí)候,另外GPS定高數(shù)據(jù)是海拔高度并不是地面垂直高度,所以GPS定高在飛控中不管用。

有了GPS飛控也知道飛機(jī)位置了,也知道家的位置和任務(wù)位置,但是飛控上的任務(wù)以及家的位置飛控是怎么知道的呢,這就是地面站的作用。

地面站

地面站,就是在地面的基站,也就是指揮飛機(jī)的,地面站可以分為單點(diǎn)地面站或者多點(diǎn)地面站,像民航機(jī)場(chǎng)就是地面站,全國(guó)甚至全球所有的地面站都在時(shí)時(shí)聯(lián)網(wǎng),它們能夠清楚的知道天上在飛行的飛機(jī),并能時(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)到飛機(jī)當(dāng)前的飛行路線、狀況以及飛機(jī)的時(shí)時(shí)調(diào)度等。

像我們用的無(wú)人機(jī)大部分都是單點(diǎn)地面站,單點(diǎn)地面站一般由一到多個(gè)人值守,有技術(shù)員,場(chǎng)務(wù)人員,后勤員,通信員,指揮員等人組成。像玩家一般都是一個(gè)人。

地面站設(shè)備組成一般都是由遙控器、電腦、視頻顯示器,電源系統(tǒng),電臺(tái)等設(shè)備組成,一般簡(jiǎn)單的來(lái)說(shuō)就是一臺(tái)電腦,一個(gè)電臺(tái),一個(gè)遙控,電腦上裝有控制飛機(jī)的軟件,通過(guò)航線規(guī)劃工具規(guī)劃飛機(jī)飛行的線路,并設(shè)定飛行高度、飛行速度、飛行地點(diǎn),飛行任務(wù)等通過(guò)數(shù)據(jù)口連接的數(shù)傳電臺(tái)將任務(wù)數(shù)據(jù)編譯傳送至飛控中,這里就有講到數(shù)傳電臺(tái),數(shù)傳電臺(tái)就是數(shù)據(jù)傳輸電臺(tái),類(lèi)似我們最和耳朵一樣,好比領(lǐng)導(dǎo)說(shuō)今天做什么任務(wù),我們接受到任務(wù)并回答然后再去執(zhí)行任務(wù),執(zhí)行任務(wù)的時(shí)候時(shí)實(shí)情況實(shí)時(shí)匯報(bào)給領(lǐng)導(dǎo),這其中通信就是嘴巴和耳朵。

數(shù)傳電臺(tái)就是飛機(jī)與地面站通信的一個(gè)主要工具,一般的數(shù)傳電臺(tái)采用的接口協(xié)議有TTL接口、RS485接口和RS232接口,的不過(guò)也有一些CAN-BUS總線接口,頻率有2.4GHZ、433MHZ、900MHZ、915MHZ,一般433MHZ的較多,因?yàn)?33MHZ是個(gè)開(kāi)放的頻段,再加上433MHZ波長(zhǎng)較長(zhǎng),穿透力強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)所以大部分民用用戶一般都是用的433MHZ,距離在5千米到15千米不等,甚至更遠(yuǎn)。最終達(dá)到的就是飛機(jī)與電腦間的通訊,電腦給飛機(jī)的任務(wù),飛機(jī)時(shí)時(shí)飛行高度,速度等很多數(shù)據(jù)都會(huì)通過(guò)它來(lái)傳輸。以方便我們時(shí)時(shí)監(jiān)控飛機(jī)情況,根據(jù)需要隨時(shí)修改飛機(jī)航向。

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