無(wú)人直升機(jī)飛行控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)報(bào)告

1、無(wú)人直升機(jī)飛行控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)報(bào)告摘要：本文介紹了用于無(wú)人直升機(jī)控制的飛行控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和分部分的主要性能，詳細(xì)闡述了系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案以及設(shè)計(jì)思想。一整體系統(tǒng)描述整個(gè)系統(tǒng)可以分為機(jī)載部分和地面部分，機(jī)載部分負(fù)責(zé)維持飛機(jī)的穩(wěn)定飛行并提供圖像信息給地面部分，地面部分根據(jù)飛機(jī)的狀態(tài)以及得到的圖像信息作出下一步飛行的目標(biāo)規(guī)劃并發(fā)送給機(jī)載部分，同時(shí)為了確保安全，防止自主飛行機(jī)構(gòu)失控，添加了可由操作手控制的控制器。地面部分與機(jī)載部分之間有兩條數(shù)據(jù)鏈路負(fù)責(zé)傳送圖像和傳送飛行狀態(tài)和指令。圖像傳送的數(shù)據(jù)鏈路通過(guò)購(gòu)買成品解決，另外負(fù)責(zé)傳送飛行狀態(tài)和指令的部分也已經(jīng)有方案可以解決（目前正在開(kāi)發(fā)的部分雖然包括擴(kuò)頻通信，但是由于

2、技術(shù)原因不能確保在比賽中的可用性，所以這部分只是作為研究性的項(xiàng)目）。地面部分可以分為地面站和圖像處理平臺(tái)，前者與機(jī)載飛行控制器通訊以發(fā)送控制命令并獲得飛機(jī)狀態(tài)信息，后者獲取機(jī)載攝像頭的圖像并做處理以搜尋比賽目標(biāo)。機(jī)載部分將在后一部分詳述。Hl詐用橫塊閹傑摸塊電源HkiliiiTtiso腳俾址丹rfr舵機(jī)1機(jī)牡部分電沖高度汁舵機(jī)控嚼U二飛機(jī)內(nèi)部系統(tǒng)描述為了完成自主飛行任務(wù)，飛機(jī)需要相關(guān)功能部件完成對(duì)飛機(jī)狀態(tài)信息的采集、對(duì)執(zhí)行部分的控制以及對(duì)地面站命令的響應(yīng)等功能。在無(wú)人機(jī)上，替代飛行員或操作手完成飛行任務(wù)的自主機(jī)構(gòu)包括圖像設(shè)備、飛控模塊、高度測(cè)量、舵機(jī)控制、數(shù)據(jù)鏈路以及航姿儀等，如下圖所示：圖像

3、設(shè)備飛控模塊高度測(cè)量舵機(jī)控制數(shù)據(jù)鏈路航姿儀各個(gè)模塊之間相對(duì)獨(dú)立，均可單獨(dú)完成一定的功能，模塊之間的相互連接采用總線實(shí)現(xiàn)，硬件上采用PC104標(biāo)準(zhǔn)，便于安裝和系統(tǒng)集成。雖然采用的總線是較可靠的通訊標(biāo)準(zhǔn)，但是在直升機(jī)實(shí)際飛行的環(huán)境中存在震動(dòng)、電磁等干擾因素，可能影響到數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?，為了保證正確的數(shù)據(jù)傳輸，采用了兩套互為備份的總線系統(tǒng)422總線和CAN總線。422總線為現(xiàn)有UAV系統(tǒng)采用的標(biāo)準(zhǔn)，具有技術(shù)較成熟的優(yōu)勢(shì)；CAN總線對(duì)于數(shù)據(jù)包的傳送更為方便，克服了422只能采用主從模式以及工作在輪詢模式的缺點(diǎn)，并且具有更高的數(shù)據(jù)傳輸速度，是一種較新的標(biāo)準(zhǔn)，使用CAN總線也是對(duì)系統(tǒng)方案升級(jí)的嘗試。慣性導(dǎo)

4、航系統(tǒng)與GPS為了實(shí)現(xiàn)對(duì)直升機(jī)姿態(tài)的控制，需要有飛機(jī)各個(gè)方向的速度位置信息等，慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的算法通過(guò)對(duì)慣性測(cè)量單元(IMU)提供的加速度和角加速度的積分，得到機(jī)體的位置、速度和姿態(tài)信息(PVA)。從硬件上來(lái)說(shuō)，該模塊是實(shí)現(xiàn)了對(duì)各個(gè)加速度和角加速度傳感器的信息采集，但是僅僅通過(guò)以上簡(jiǎn)單的慣導(dǎo)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(zhǎng)積分的累計(jì)誤差會(huì)使計(jì)算結(jié)果很快偏離實(shí)際值。導(dǎo)航系統(tǒng)必須考慮這些誤差因素并對(duì)得到的PVA結(jié)果作出修正。I；出授收機(jī):輸加誦出訂處理器機(jī)休門(mén)？I速度.o.:%IITI工軸用越度機(jī)休瓷態(tài)即&得現(xiàn)的一.軸速度慣性導(dǎo)航系統(tǒng)可分為平臺(tái)慣導(dǎo)系統(tǒng)和捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)，平臺(tái)

5、慣導(dǎo)系統(tǒng)是通過(guò)一個(gè)機(jī)械平臺(tái)把慣性敏感元件與機(jī)體的角運(yùn)動(dòng)隔離開(kāi)、使之跟蹤某個(gè)給定的坐標(biāo)系，從而給出相對(duì)于給定坐標(biāo)系的運(yùn)動(dòng)信息，而捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)是將慣性敏感元件直接固定在飛行器機(jī)體上，通過(guò)計(jì)算機(jī)采集慣性元件的輸出并解算出飛行器相對(duì)于給定坐標(biāo)系的運(yùn)動(dòng)信息。捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)相對(duì)于平臺(tái)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，通過(guò)計(jì)算機(jī)程序?qū)崿F(xiàn)了平臺(tái)的作用，簡(jiǎn)化了硬件復(fù)雜性，提高了系統(tǒng)的可靠性和可維護(hù)性，更容易實(shí)現(xiàn)。慣性導(dǎo)航模塊的設(shè)計(jì)目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)一個(gè)獨(dú)立的數(shù)字捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)：采集慣性敏感元件的輸出信號(hào)并進(jìn)行解算，給出飛行器相對(duì)與給定坐標(biāo)系的運(yùn)動(dòng)信息，通過(guò)總線實(shí)時(shí)地發(fā)送給飛行控制計(jì)算機(jī)。系統(tǒng)最初的設(shè)計(jì)方案中包括如下部分：角速度傳感器，加速度傳感器

6、，磁性傳感器，實(shí)現(xiàn)信號(hào)采集和運(yùn)算的DSP。由于時(shí)間緊迫，慣性導(dǎo)航模塊僅實(shí)現(xiàn)對(duì)陀螺和加速度計(jì)的數(shù)據(jù)采集，通過(guò)總線實(shí)時(shí)的發(fā)送給飛控計(jì)算機(jī)，下一步的運(yùn)算工作由飛控計(jì)算機(jī)進(jìn)行。慣性導(dǎo)航模塊的硬件主要包括兩個(gè)雙軸陀螺、兩個(gè)雙軸加速度計(jì)(組成六自由度的慣性敏感元件)和一個(gè)面向控制的DSP。陀螺：Gyratoin公司MicroGyrolOO,測(cè)量范圍土150度/秒，解析度0.15度/秒，模擬輸出。加速度計(jì)：AD公司ADXL202,測(cè)量范圍土2g，分辨率2mg,PWM數(shù)字輸出。DSP：TI公司面向控制的TMS320F2812,它具有150M的主頻，內(nèi)部集成了齊全的外設(shè)，包括：增強(qiáng)型CAN模塊，增強(qiáng)型串口通信控

7、制模塊，12位高速A/D轉(zhuǎn)模塊，串行設(shè)備模塊，多路緩沖串口模塊(McBSP)和能夠產(chǎn)生和讀取PWM波的事件管理器。視覺(jué)處理視覺(jué)是無(wú)人機(jī)的一個(gè)重要部分無(wú)人機(jī)的一個(gè)重要應(yīng)用：無(wú)人偵察，就是以計(jì)算機(jī)視覺(jué)為基礎(chǔ)。視覺(jué)程序的目的是：從直升機(jī)上面的攝像頭拍到的圖片中檢測(cè)出固定的幾類圖標(biāo)的位置。整個(gè)檢測(cè)過(guò)程分為兩個(gè)階段，第一個(gè)階段從圖片中檢測(cè)出圖標(biāo)所在矩形的位置，并放縮為32*32大小的標(biāo)準(zhǔn)矩形；第二個(gè)階段對(duì)這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)矩形進(jìn)行判斷，決定它是哪類圖標(biāo)。三個(gè)標(biāo)準(zhǔn)圖標(biāo)如下：第一階段獲取矩形位置的流程是（結(jié)合一個(gè)例子具體介紹）原始圖片如下：首先從攝像頭傳回的視頻中得到一幀圖片，將其轉(zhuǎn)換為灰度圖；然后對(duì)其進(jìn)行均值濾波平

8、滑處理，消除掉圖片上的一些雜質(zhì)；接下來(lái)進(jìn)行sobel邊緣檢測(cè)，將矩形從圖像中分離出來(lái)，在邊緣檢測(cè)的同時(shí)也進(jìn)行了閾值化的過(guò)程。邊緣檢測(cè)后結(jié)果如下：為了讓矩形邊緣閉合，進(jìn)行一步開(kāi)運(yùn)算操作（矩形邊緣是黑色）；然后進(jìn)行前景提取，通過(guò)點(diǎn)連通的方式來(lái)把圖片分為一塊一塊的連通區(qū)域，每塊區(qū)域都存儲(chǔ)為一個(gè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，認(rèn)為其中最大的一塊區(qū)域?yàn)楸尘?，將其置為黑色，其他的部分全部置為白色；下一步是邊緣提取，這步和前面的sobel邊緣檢測(cè)不同的地方在于，sobel邊緣檢測(cè)將矩形分割出來(lái)，但是程序仍舊不知道矩形在哪里，而邊緣提取之后可以得到矩形的確切位置，做法還是利用連通性得到一個(gè)區(qū)域的外邊緣點(diǎn)，因?yàn)閰^(qū)域的點(diǎn)前面已經(jīng)存儲(chǔ)，

9、這一步很好進(jìn)行。獲取邊緣后結(jié)果如下：得到區(qū)域邊緣后還需要判斷這是不是矩形或者平行四邊形，這一步的做法是：首先得到一個(gè)區(qū)域的中心，然后判斷離這個(gè)中心最遠(yuǎn)的點(diǎn)作為矩形的第一個(gè)角點(diǎn)，計(jì)算離第一個(gè)角點(diǎn)最遠(yuǎn)的點(diǎn)為第二個(gè)角點(diǎn)（即首先檢測(cè)一條對(duì)角線），距離第一、第二個(gè)角點(diǎn)連線最遠(yuǎn)的點(diǎn)為第三個(gè)角點(diǎn)，距離前三個(gè)角點(diǎn)構(gòu)成的三角形區(qū)域的最遠(yuǎn)點(diǎn)為第四個(gè)角點(diǎn)；檢測(cè)出四個(gè)角點(diǎn)后，判斷矩形方法是判斷兩條對(duì)角線的交點(diǎn)（矩形中心）附近是否有點(diǎn)存在，因?yàn)閳D像已經(jīng)是完全的邊緣圖像，一個(gè)區(qū)域的內(nèi)部已經(jīng)沒(méi)有點(diǎn)存在，如果中心附近有點(diǎn)，說(shuō)明此圖形并非矩形，很可能是類似三角形或者不規(guī)則多邊形，這樣的區(qū)域直接否決掉。剩下滿足要求的區(qū)域放縮到3

10、2*32大小的標(biāo)準(zhǔn)區(qū)域中，進(jìn)入下一步處理。放縮的結(jié)果如下：第二階段需要判斷32*32大小的區(qū)域是哪一個(gè)圖標(biāo)。方法是：把32*32大小的區(qū)域認(rèn)為是1024的一個(gè)向量空間，事先準(zhǔn)備好3幅標(biāo)準(zhǔn)圖標(biāo)，每幅圖標(biāo)有4個(gè)方向，所以一共是12類圖標(biāo)，根據(jù)轉(zhuǎn)換矩陣計(jì)算每類圖標(biāo)在向量空間中的位置；然后把第一階段得到的區(qū)域乘以轉(zhuǎn)換矩陣，得到它在向量空間中的位置，判斷它和那一類圖標(biāo)最接近，就屬于哪一類，并計(jì)算出匹配度。經(jīng)過(guò)實(shí)際實(shí)驗(yàn)，我的標(biāo)準(zhǔn)是：圖標(biāo)1、2的匹配度標(biāo)準(zhǔn)是60，圖表3的匹配度標(biāo)準(zhǔn)是56，低于這個(gè)值則認(rèn)為是干擾目標(biāo)。最終結(jié)果如下：Z2-66£Fy<rn5>59y地面站部分：地面控制站程

11、序的作用是觀察飛機(jī)的各項(xiàng)飛行信息，包括GPS信息、飛機(jī)狀態(tài)信息飛行航跡信息等，并可以發(fā)送命令對(duì)其進(jìn)行控制。地面站和飛機(jī)之間的通訊遵循設(shè)定好的測(cè)控協(xié)議。地面站界面如下：團(tuán)五幾機(jī)垃芾撿制錄扯一一斶爭(zhēng)丸學(xué)才苗機(jī)喬心機(jī)用j豐匸叵!因屋怦心飛小&奇Q地田界m匐田戴牡理-MIPilUJ極絆iWStP(3ou>轉(zhuǎn)速i(i俯如D.Mitt.fSiD.ID壷度4D電壓0.00OWOOrO:0O0QaQQBgQT000°00BOO.O10.00Sian0.000.00AST：0.00wf.0.00昶：0,00wsj0.00wy:0.00wz;0.00；疋控發(fā)總卿制t:ODOiD(TOWJ&

12、lt;000力聞趣|置:nw陽(yáng)HFJ*:ODDD£廿能牛:EHPB:000EVPE;000|W第OQOiDDD»BtWnomia刖*OQDDJEOQOID飛和敷哥7J11O.GU主I(I輔0航冋ICUM距踴O.GO抗錢(qián)逗置航蛭搽存栓測(cè)佶息2F>:；=i汀.：l迓晝起點(diǎn)載貫:丁V-卜0H41機(jī)世面胡雄Ci0.區(qū)控卅我五0Ofi建控|賈性起飛口前上升Tift冋左増穩(wěn)&ff障落問(wèn)肓下障足向問(wèn)右右轉(zhuǎn)煩繞裝訂航赴荻人養(yǎng)按隔改界面的左面顯示的是飛行軌跡，目前看不出來(lái)；藍(lán)色的文字是顯示飛機(jī)發(fā)送回來(lái)的GPS信息和三軸線加速度、角速度信息。界面右邊的各項(xiàng)文字、儀表顯示了飛機(jī)的各

13、種狀態(tài)信息，數(shù)?？梢杂糜诜治鲲w機(jī)的運(yùn)行情況，其中右中的4個(gè)操縱桿可以給飛機(jī)設(shè)定升降舵、方向、風(fēng)門(mén)、副翼四個(gè)參量界面下方的按鈕群是主要的操作部分，可以通過(guò)點(diǎn)擊相應(yīng)按鈕進(jìn)行各種操作；其中大部分操作在菜單中也有對(duì)應(yīng)項(xiàng)。界面最底下的一欄是狀態(tài)欄，顯示了一些程序運(yùn)行的信息。飛機(jī)如果進(jìn)入自主飛行狀態(tài)，地面站有設(shè)定好的遍歷方法用于決定飛機(jī)將飛向何處以及如何遍歷整個(gè)場(chǎng)地。遍歷方法基本上是利用狀態(tài)機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)，具體設(shè)定如下：飛行路線（循環(huán)進(jìn)行）：0|7|654|3|012設(shè)定一個(gè)狀態(tài)變量trackStatus表示當(dāng)前飛機(jī)所處位置trackStatus=0:飛機(jī)處于懸停狀態(tài)，位于左邊界，將橫向飛；trackStatu

14、s=1:飛機(jī)處于向前飛狀態(tài)，航向橫向向左；trackStatus=2:飛機(jī)處于懸停狀態(tài)，位于右邊界，將縱向飛；trackStatus=3:飛機(jī)處于向前飛狀態(tài)，航向縱向；trackStatus=4:飛機(jī)處于懸停狀態(tài)，位于右邊界，將橫向飛；trackStatus=5:飛機(jī)處于向前飛狀態(tài)，航向橫向向右；trackStatus=6:飛機(jī)處于懸停狀態(tài)，位于左邊界，將縱向飛；trackStatus=7:飛機(jī)處于向前飛狀態(tài)，航向縱向；其中飛機(jī)如果處于0、2、4、6狀態(tài)，將持續(xù)向左邊或右邊轉(zhuǎn)彎，直到轉(zhuǎn)到設(shè)定的方向，即進(jìn)入下一個(gè)狀態(tài)；飛機(jī)如果處于1、3、5、7狀態(tài)，將持續(xù)向前飛，直到飛到設(shè)定的距離，即進(jìn)入下一個(gè)

15、狀態(tài)。所以整個(gè)狀態(tài)機(jī)通過(guò)判斷飛機(jī)當(dāng)前的狀態(tài)和是否滿足條件來(lái)決定是否進(jìn)入下一個(gè)狀態(tài)。地面站和視覺(jué)程序結(jié)合起來(lái)，利用飛機(jī)當(dāng)前的高度、航向以及飛機(jī)所處的位置，可以計(jì)算出圖標(biāo)的實(shí)際經(jīng)緯度信息，這也是比賽的最終要求。超聲波高度測(cè)量雖然GPS系統(tǒng)或者慣導(dǎo)系統(tǒng)都可以提供高度信息，但是對(duì)于實(shí)現(xiàn)直升機(jī)起飛降落這樣的任務(wù)來(lái)說(shuō)，這些高度信息的精度是無(wú)法滿足要求的，需要有超聲測(cè)距、紅外測(cè)距或者激光測(cè)距等高精度的距離測(cè)量方法。激光測(cè)距的精度較高，但是購(gòu)買的成本較高，自己開(kāi)發(fā)的難度也更大；紅外測(cè)距的作用距離有限，同樣存在著開(kāi)發(fā)難度較大的問(wèn)題；超聲測(cè)距結(jié)合了測(cè)量距離較遠(yuǎn)（可測(cè)10m）以及開(kāi)發(fā)難度低的優(yōu)點(diǎn)，因此選擇超聲高度測(cè)

16、量方案。另外超聲波具有指向性強(qiáng)，能量消耗緩慢，在介質(zhì)中傳播的距離較遠(yuǎn)等優(yōu)點(diǎn)，因而超聲波經(jīng)常用于距離的測(cè)量，如測(cè)距儀和物位測(cè)量?jī)x等都可以通過(guò)超聲波來(lái)實(shí)現(xiàn)。利用超聲波檢測(cè)往往比較迅速、方便、計(jì)算簡(jiǎn)單、易于做到實(shí)時(shí)控制，并且在測(cè)量精度方面能達(dá)到工業(yè)實(shí)用的要求，因此在移動(dòng)機(jī)器人的研制上也得到了廣泛的應(yīng)用。高度測(cè)量模塊的主要工作過(guò)程如下：超聲波發(fā)射器向某一方向發(fā)射超聲波，在發(fā)射時(shí)刻的同時(shí)開(kāi)始計(jì)時(shí)，超聲波在空氣中傳播，途中碰到障礙物就立即返回來(lái)，超聲波接收器收到反射波就立即停止計(jì)時(shí)。超聲波在空氣中的傳播速度為340m/s，根據(jù)計(jì)時(shí)器記錄的時(shí)間，就可以計(jì)算出發(fā)射點(diǎn)距障礙物的距離。高度測(cè)量的原理雖然簡(jiǎn)單，但是

17、要達(dá)到理想的效果還是有一定難度，如要達(dá)到一定的測(cè)量距離、在不同反射面情況下基本工作正常、可以判斷由于干擾造成的錯(cuò)誤測(cè)量情況等等。這里的技術(shù)難點(diǎn)包括信號(hào)采集的靠干擾性、信號(hào)解調(diào)的正確性以及時(shí)間差獲得的正確性。為了使測(cè)距模塊有良好的靠干擾性，我們將發(fā)射和接收分別放在兩塊板子上，以防止互相之間的干擾，并采用屏蔽線將兩塊板子之間的通訊連接線屏蔽起來(lái)，保證不受外界干擾信號(hào)解調(diào)部分采用LM567進(jìn)行40K信號(hào)的解調(diào)工作567為通用音調(diào)譯碼器當(dāng)輸入信號(hào)于通帶內(nèi)時(shí)提供飽和晶體管對(duì)地開(kāi)關(guān)，電路由I與Q檢波器構(gòu)成，由電壓控制振蕩器驅(qū)動(dòng)振蕩器確定譯碼器中心頻率。用外接元件獨(dú)立設(shè)定中心頻率帶寬和輸出延遲。LM567將

18、獲得的40K信號(hào)進(jìn)行解調(diào)，并最終將穩(wěn)定的信號(hào)輸出給單片機(jī)，以保證獲得準(zhǔn)確的時(shí)間差。此次我們也采用了MSP430作為超聲波測(cè)距的單片機(jī)進(jìn)行信號(hào)采集、發(fā)生以及計(jì)算和通訊等功能，單片機(jī)是整個(gè)模塊的核心部分。我們采用MSP430作為40K信號(hào)的發(fā)生源并最終接收捕獲到的信號(hào)，并計(jì)算發(fā)出信號(hào)到收到信號(hào)之間的時(shí)間差，從而計(jì)算出距離。并對(duì)得到的距離進(jìn)行分析處理，保證將可靠的數(shù)據(jù)傳輸給上端。在距離的數(shù)據(jù)分析上，我們采用了一階濾波器的處理，以保證傳輸給上位機(jī)的數(shù)據(jù)可靠而且平滑有效。飛行控制器飛行控制器直升機(jī)的中央控制單元，負(fù)責(zé)飛機(jī)上各個(gè)單元的協(xié)調(diào)工作，并與地面站之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。同時(shí)根據(jù)控制算法和地面站的命令，保持飛機(jī)以一定的姿態(tài)飛行。飛控計(jì)算機(jī)硬件原方案采用TI2812DSP，該方案的優(yōu)點(diǎn)在于功耗低、DSP本身接口較多（包括串口、CAN）,但開(kāi)發(fā)過(guò)程中碰到技術(shù)積累不充分、無(wú)操作系統(tǒng)支持造成開(kāi)發(fā)速度較慢等等的問(wèn)題，所以最終選用了80486的PC104標(biāo)準(zhǔn)板。直升機(jī)模型較為復(fù)雜，而且通道之間存在耦合，如果考慮復(fù)雜情況則控制率較難實(shí)現(xiàn)，所以采用簡(jiǎn)單的PID控制器分通道進(jìn)行控制，為了解決非線性問(wèn)題，采取不同狀態(tài)下采用不同參數(shù)的控制方法。具體將飛機(jī)飛行狀態(tài)劃分為起飛、降落、懸停、向左、向右等狀態(tài)，在不同狀態(tài)下設(shè)定不同的控制目標(biāo)值。例如，懸停狀態(tài)高度設(shè)定為固定值，俯仰、滾轉(zhuǎn)以及偏航的