小型無(wú)人直升機(jī)高度測(cè)量模塊設(shè)計(jì)

趙松濤，裴海龍

（華南理工大學(xué) 自主系統(tǒng)與網(wǎng)絡(luò)控制教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣州 510640）

在無(wú)人直升機(jī)的控制系統(tǒng)中，比較常用的是慣導(dǎo)與GPS的組合導(dǎo)航，GPS導(dǎo)航主要提供系統(tǒng)的位置、速度、高度數(shù)據(jù)，但GPS數(shù)據(jù)中的高度項(xiàng)數(shù)據(jù)可靠性一直很低，當(dāng)前的控制系統(tǒng)采用高度計(jì)對(duì)GPS高度數(shù)據(jù)進(jìn)行補(bǔ)償，并采用擴(kuò)展卡爾曼濾波器[1]EKF（extended Kalman filter）進(jìn)行濾波。在進(jìn)行高速機(jī)動(dòng)飛行時(shí)，系統(tǒng)參數(shù)會(huì)以相當(dāng)高的速度變化，這樣對(duì)高度項(xiàng)的數(shù)據(jù)精度就提出了更高要求，現(xiàn)有高度計(jì)的精度無(wú)法滿足要求，傳感器必須要進(jìn)行升級(jí)；無(wú)人直升機(jī)是一個(gè)高階的非線性系統(tǒng)，系統(tǒng)本身傳感器的誤差漂移、載體機(jī)動(dòng)引起的動(dòng)態(tài)誤差會(huì)給系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的準(zhǔn)確建立造成困難，采用常規(guī)的卡爾曼濾波不能保證濾波的最優(yōu)性。針對(duì)控制系統(tǒng)這2個(gè)方面的需求，在參閱了當(dāng)前主流高度傳感器的性能參數(shù)后，選取了一款測(cè)量精度比較高的高度計(jì)替換當(dāng)前的高度計(jì)，并根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證更新的必要性；在參閱了自適應(yīng)卡爾曼濾波相關(guān)理論[2-4]后，這里選取一種帶縮放因子的自適應(yīng)卡爾曼濾波[5]AKF（adaptive Kalman filter）來(lái)改進(jìn)濾波器。當(dāng)前氣壓計(jì)的改進(jìn)已經(jīng)投入使用，而自適應(yīng)卡爾曼濾波器也即將投入使用。

1 無(wú)人直升機(jī)系統(tǒng)簡(jiǎn)介

本文所用到的無(wú)人直升機(jī)是由無(wú)人機(jī)機(jī)械平臺(tái)、飛控電子設(shè)備、飛控軟件系統(tǒng)這3大部分構(gòu)成的[6-7]。飛控電子設(shè)備是在一塊以ARM7為核心的主控板上搭建起來(lái)的，外圍包括慣性導(dǎo)航傳感器、GPS導(dǎo)航接收儀、電子羅盤、氣壓計(jì)等飛機(jī)位姿感測(cè)模塊，這些模塊的數(shù)據(jù)傳輸?shù)紸RM主控板，經(jīng)數(shù)據(jù)融合處理，傳送給控制器，由控制器進(jìn)行運(yùn)算后控制飛機(jī)的飛行姿態(tài)。飛機(jī)既可以手控，也可以自控。手控模式時(shí)，機(jī)師可直接使用遙控器通過(guò)中繼站向飛機(jī)發(fā)送遙控信號(hào)；自控模式時(shí)，只需通過(guò)地面站向飛機(jī)發(fā)送飛行目標(biāo)，飛機(jī)即可按照預(yù)定的路線飛行。如圖1所示為飛控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure diagram of system

自控模式下的控制器采用雙閉環(huán)的控制器，如圖2所示為無(wú)人機(jī)系統(tǒng)的控制框圖?？刂七^(guò)程描述如下：在自控模式下，地面站路徑規(guī)劃給出位置和速度的參考值，經(jīng)過(guò)外環(huán)PID運(yùn)算后得到姿態(tài)角的參考值，將該值作為內(nèi)環(huán)給定值與慣導(dǎo)系統(tǒng)參數(shù)對(duì)比，使飛機(jī)能夠跟隨給定的參考姿態(tài)角，進(jìn)而按照路徑規(guī)劃中給定的位置運(yùn)動(dòng)。姿態(tài)信息采集主要通過(guò)三軸陀螺儀IMU和電子羅盤Compass，位置信息則由GPS和氣壓高度計(jì)BMP085獲取。

圖2 控制器的系統(tǒng)框圖Fig.2 Diagram of controller system

2 針對(duì)問(wèn)題所作的改進(jìn)

2.1 氣壓計(jì)改進(jìn)

當(dāng)前使用的氣壓計(jì)BMP085已經(jīng)無(wú)法滿足系統(tǒng)需要，需要對(duì)氣壓計(jì)升級(jí)。

目前應(yīng)用比較多的氣壓計(jì)有以下幾款：VTI公司生產(chǎn)的 SCP1000[8]、飛思卡爾的 MPL115An、博世的BMP085以及美國(guó)MEAS公司生產(chǎn)的MS5611。這幾款芯片在GPS導(dǎo)航增強(qiáng)、航位測(cè)算、室內(nèi)外導(dǎo)航、休閑、運(yùn)動(dòng)和健康監(jiān)測(cè)、天氣預(yù)報(bào)、垂直速度計(jì)算等方面都有應(yīng)用，但是不同的傳感器有著各自的特點(diǎn)，這也是選擇傳感器的依據(jù)。表1是這幾款芯片在精度、工作溫度范圍、轉(zhuǎn)換速度、封裝方面的對(duì)比。

由表中數(shù)據(jù)可看出SCP1000在這4款氣壓計(jì)中測(cè)量精度最高，且較易于做防水，方便在硬件系統(tǒng)中安裝，缺點(diǎn)是轉(zhuǎn)換時(shí)間比較長(zhǎng)；BMP085即原系統(tǒng)所用的傳感器在測(cè)量精度、體積功耗、轉(zhuǎn)換速度方面整體比較好，缺點(diǎn)是不易做防水；MPL115An的測(cè)量精度過(guò)低，可直接從選擇中排除；MS5611的優(yōu)點(diǎn)是轉(zhuǎn)換速度很快、體積較小，但精度較差。

由于改進(jìn)的目標(biāo)是得到精度盡可能高的數(shù)據(jù)，所以這里選型以精度作為首要因素。綜合其它因素，這里選擇SCP1000來(lái)替換現(xiàn)有的BMP085，顯然前者的精度遠(yuǎn)高于后者。

2.2 濾波算法改進(jìn)

現(xiàn)有卡爾曼濾波器存在局限性，其根源在于卡爾曼濾波器使用的是常過(guò)程噪聲方差陣Q和常觀測(cè)噪聲方差陣R，所以必須找到一種改進(jìn)算法，能夠根據(jù)目標(biāo)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的變化，自適應(yīng)地調(diào)整過(guò)程噪聲協(xié)方差陣Q，進(jìn)而調(diào)整卡爾曼濾波增益。

這里采用一種自適應(yīng)卡爾曼濾波方法[5]，它引入一個(gè)縮放因子θ（k），該因子由觀測(cè)值和先前狀態(tài)估計(jì)值計(jì)算得到，因此包含了目標(biāo)的機(jī)動(dòng)信息。通過(guò)縮放因子θ（k）的變化使得過(guò)程噪聲協(xié)方差陣Q（k）自適應(yīng)地調(diào)整，從而使卡爾曼增益K根據(jù)目標(biāo)的變化自動(dòng)調(diào)整。

下面給出這種自適應(yīng)濾波算法的方程：

無(wú)人機(jī)的狀態(tài)方程可以等效為

θk即k時(shí)刻及之前的縮放因子構(gòu)成的向量。

在k+1時(shí)刻，獲得觀測(cè)值Zk+1之前，可得狀態(tài)值Xk+1滿足正態(tài)分布 Xk+1～N（Xk+1，k，Pk+1，k），其中，

同時(shí)由式（2）可得，觀測(cè)值Zk+1預(yù)測(cè)分布的均值矢量為

由式（2）及 Xk+1～N（Xk+1，k，Pk+1，k）可得 Zk+1預(yù)測(cè)分布的協(xié)方差為

可求得濾波器這一步的新息為

這樣便有：

結(jié)合式（3）和式（4）便構(gòu)成了帶漸消因子的自適應(yīng)卡爾曼濾波算法。

3 設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

經(jīng)過(guò)上面討論，基本確定了改進(jìn)高度氣壓計(jì)的方案，即通過(guò)升級(jí)傳感器，改進(jìn)卡爾曼濾波器來(lái)提高高度項(xiàng)數(shù)據(jù)可靠性。

3.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

鑒于在現(xiàn)有飛控系統(tǒng)中使用ARM7芯片的I2C口來(lái)讀取氣壓計(jì)數(shù)據(jù)，這里仍采用這種接口方式來(lái)設(shè)計(jì)硬件。為了便于在現(xiàn)有系統(tǒng)上直接進(jìn)行調(diào)試，將SCP1000做成一個(gè)單獨(dú)的模塊，通過(guò)接線與ARM7板相連。根據(jù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，I2C接口的穩(wěn)定性比較差，所以在配置SCP1000模塊的位置時(shí)，要使其盡可能地靠近ARM7中的I2C接口。在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，這樣的考慮是非常必要的，所以在項(xiàng)目后期就直接把SCP1000集成在ARM7板上面。

為了比較明顯地對(duì)比出更換芯片后的效果，要同時(shí)接收SCP1000和BMP085兩款傳感器的數(shù)據(jù)。此外，采用一款高精度的OEM4-G2差分GPS接收機(jī)接收的高度項(xiàng)數(shù)據(jù)作為基準(zhǔn)值，這款GPS接收機(jī)工作于差分模式時(shí)，其高度的定位精度可以達(dá)到厘米級(jí)，所以完全可以將其數(shù)據(jù)作為基準(zhǔn)值。

在傳輸傳感器數(shù)據(jù)時(shí)，由ARM7的I2C口分時(shí)讀取2款氣壓計(jì)數(shù)據(jù)，可通過(guò)定時(shí)器中斷來(lái)實(shí)現(xiàn)，讀取差分GPS數(shù)據(jù)時(shí)，則選用較為可靠的UART通信方式。

讀取得到的數(shù)據(jù)需要經(jīng)過(guò)濾波器的處理，通過(guò)上面分析，可設(shè)計(jì)相應(yīng)的濾波器程序。如圖3所示為程序流程圖。

3.2 飛機(jī)試飛實(shí)驗(yàn)

在進(jìn)行外場(chǎng)試飛時(shí)，必須要選擇合適的天氣。本實(shí)驗(yàn)分為數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理2個(gè)階段。

在實(shí)驗(yàn)中，采集以下3種情況的傳感器數(shù)據(jù)：

1）飛機(jī)靜態(tài)放在地面上，采集此時(shí)BMP085、SCP1000、差分GPS數(shù)據(jù)，設(shè)定氣壓計(jì)以及GPS的基準(zhǔn)值，并對(duì)比SCP1000和BMP085的零點(diǎn)漂移特性；

2）飛機(jī)起飛，在空中作縱向飛行，并做一些機(jī)動(dòng)性較大的動(dòng)作，如急停、加速爬升、迅速下降高度，測(cè)試氣壓傳感器在飛機(jī)機(jī)動(dòng)時(shí)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

圖3 程序流程圖Fig.3 Flow chart of program

為使實(shí)驗(yàn)結(jié)論更有說(shuō)服力，每個(gè)飛行姿態(tài)至少要采集3000組數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)采集完畢后，對(duì)其進(jìn)行濾波處理，首先對(duì)比2款氣壓傳感器的測(cè)試效果，分析靜態(tài)時(shí)二者數(shù)據(jù)的零點(diǎn)漂移，懸停時(shí)數(shù)據(jù)穩(wěn)定性，機(jī)動(dòng)時(shí)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性；然后對(duì)比濾波器的濾波效果，分別采用改進(jìn)前后的濾波器對(duì)機(jī)動(dòng)時(shí)SCP1000的數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波，以差分GPS高度數(shù)據(jù)為基準(zhǔn)值，對(duì)比濾波后數(shù)據(jù)的可靠性，作出相應(yīng)的均方根誤差對(duì)比圖，選擇性能較好的濾波器。

4 改進(jìn)效果

按照如上的方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，采集實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析。通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)的處理發(fā)現(xiàn)，Q和R的取值不宜太大，否則會(huì)造成濾波器發(fā)散。在對(duì)比2套濾波器的濾波效果時(shí)，Q和R陣必須相同且合適，否則對(duì)比結(jié)果無(wú)意義。

圖4所示為2種傳感器在靜態(tài)時(shí)的數(shù)據(jù)對(duì)比圖，此時(shí)的參考高度為0。

圖5所示為2種傳感器在動(dòng)態(tài)時(shí)的數(shù)據(jù)對(duì)比圖，此時(shí)飛機(jī)的高度在動(dòng)態(tài)改變。

從這2個(gè)圖中可以看出，新的SCP1000傳感器相對(duì)于原來(lái)的BMP085擁有更適合飛控系統(tǒng)的性能，選擇其作為改進(jìn)型高度計(jì)是可取的。

圖4 兩種傳感器在靜態(tài)時(shí)的數(shù)據(jù)對(duì)比圖Fig.4 Static data comparison of the two baroceptors

圖5 兩種傳感器在動(dòng)態(tài)時(shí)的數(shù)據(jù)對(duì)比圖Fig.5 Dynamic data comparison of the two baroceptors

對(duì)比2種濾波器的濾波效果，從上面的分析可知，自適應(yīng)卡爾曼濾波器的性能主要取決于對(duì)縮放因子θ2的估計(jì)，而θ2又決定于常數(shù)C，所以C的取值不能太大，否則小誤差會(huì)導(dǎo)致較大的θ2值，從而使卡爾曼增益較大，降低了濾波器的性能。經(jīng)過(guò)反復(fù)驗(yàn)證，這里C取值0.05。

圖6所示為在同一組數(shù)據(jù)進(jìn)行處理的效果對(duì)比。

圖6 兩種濾波方式濾波效果對(duì)比圖Fig.6 Comparison of the two filters’filtering effect

圖7所示為2種濾波器處理后的數(shù)據(jù)相對(duì)于參考值的均方根誤差。

圖7 兩種濾波方式濾波均方根誤差（RMSE）對(duì)比圖Fig.7 Comparison of the two filters’root mean squared error（RMSE）

由圖中可以看出，自適應(yīng)卡爾曼濾波器在濾波性能上明顯好于原有的濾波器，新的高度測(cè)量模塊的優(yōu)越性得到驗(yàn)證。

5 結(jié)語(yǔ)

新的高度計(jì)在精度方面確實(shí)要比原有的高度計(jì)有了很大的提升，它所測(cè)量的數(shù)據(jù)有更好的穩(wěn)定性，這對(duì)于高速機(jī)動(dòng)中的直升機(jī)來(lái)說(shuō)是非常必要的。改進(jìn)后的濾波器的性能相較之前有提升，引入的縮放因子可以在線調(diào)整卡爾曼增益，優(yōu)化濾波性能。這些改進(jìn)不僅使得現(xiàn)用的控制器輸出更加精確，而且對(duì)于今后無(wú)人機(jī)的自主起降研究、超機(jī)動(dòng)研究有著相當(dāng)重要的意義。

[1] Greg Welch，Gary Bishop.An Introduction to the Kalman Filter[M/OL].University of North Carolina，2006-6-24.

[2] 范科，趙偉，劉建業(yè).自適應(yīng)濾波算法在SINS/GPS組合導(dǎo)航系統(tǒng)中的應(yīng)用研究[J].航空電子技術(shù)，2008，39（3）：11-15.

[3] 寧火軍，潘鴻飛，金巧生.采用漸消卡爾曼濾波器防止捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)濾波發(fā)散研究[J].戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈技術(shù)，2007（2）：83-87.

[4] 辛英，于靜.自適應(yīng)卡爾曼濾波算法改進(jìn)與仿真[J].中國(guó)科技信息，2011（22）：59-60.

[5] 張謙，景占滎.一種過(guò)程噪聲自適應(yīng)調(diào)節(jié)的卡爾曼濾波算法[J].電子測(cè)量技術(shù)，2007，30（5）：18-20.

[6] 劉棟煉.無(wú)人機(jī)飛控系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)與數(shù)據(jù)融合算法研究[D].廣州：華南理工大學(xué)，2009.

[7] 陳勇，裴海龍.基于ARM小型直升機(jī)飛控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制，2010，18（2）：329-334.

[8] VTI Technologies Corp.SCP1000 Series Absolute Pressure Sensor Product Family Specification[M/OL].http：//www.vti.fi，2007-10.

“智慧工廠”之云存儲(chǔ)（天津）專題產(chǎn)品對(duì)接座談會(huì)在天津召開

2014年8月28日，由機(jī)械工業(yè)信息中心主辦，全國(guó)離散制造業(yè)聯(lián)盟、濱海新區(qū)智能制造聯(lián)盟、天津市自動(dòng)化學(xué)會(huì)承辦，希捷科技支持的“智慧工廠”之云存儲(chǔ)（天津）專題產(chǎn)品對(duì)接座談會(huì)在天津召開。本次會(huì)議圍繞“智慧工廠”這一主題，各企業(yè)行業(yè)、主管部門開展深入交流。天津市市委常委老領(lǐng)導(dǎo)楊競(jìng)衡同志，中國(guó)科學(xué)院院士、天津大學(xué)教授姚建銓先生，機(jī)械工業(yè)信息中心副主任、全國(guó)離散制造服務(wù)聯(lián)盟秘書長(zhǎng)劉功效副主任，天津市科協(xié)學(xué)會(huì)部副部長(zhǎng)王婉瑩女士等天津市高校、企業(yè)，外省離散制造業(yè)聯(lián)盟多位領(lǐng)導(dǎo)和專家蒞臨現(xiàn)場(chǎng)參加會(huì)議，共計(jì)100余人。劉功效秘書長(zhǎng)為大會(huì)致辭。

姚建銓院士為大會(huì)發(fā)表精彩演講，從“智慧城市”談到物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用，生動(dòng)闡述了傳感器技術(shù)和大數(shù)據(jù)的發(fā)展趨勢(shì)，介紹了第三次工業(yè)革命與智能制造的關(guān)系。演講最后，姚院士以唐詩(shī)“居高聲自遠(yuǎn)，非是藉秋風(fēng)”鼓勵(lì)與會(huì)各界專業(yè)人士為信息技術(shù)業(yè)發(fā)展貢獻(xiàn)力量，展望了智慧城市、智能制造業(yè)發(fā)展的良好前景。

在聽取了姚建銓院士的演講之后，希捷云業(yè)務(wù)資深經(jīng)理農(nóng)天使先生在會(huì)上作了以“智慧的存儲(chǔ)助力智慧的工廠”為題的報(bào)告。突出介紹了希捷智能云存儲(chǔ)按需定制、智能選擇、智能使用的特點(diǎn)，為“大數(shù)據(jù)”提出了解決方案。希捷品牌事業(yè)部業(yè)務(wù)發(fā)展經(jīng)理陳玲女士在會(huì)上做了以“智慧工廠之私有云存儲(chǔ)應(yīng)用”為題的報(bào)告，從產(chǎn)品分類、APP應(yīng)用、領(lǐng)先技術(shù)方面介紹了智能存儲(chǔ)的個(gè)人解決方案和商用解決方案。

會(huì)議最后以專家訪談形式解答了參會(huì)專業(yè)人員關(guān)于存儲(chǔ)資源共享、存儲(chǔ)傳輸介質(zhì)、智慧存儲(chǔ)節(jié)能方式、私人數(shù)據(jù)安全性等方面的問(wèn)題，討論氣氛熱烈。通過(guò)此次座談，使與會(huì)者對(duì)“云存儲(chǔ)”、“智慧工廠”等新概念、新技術(shù)有了更加深入的了解，相關(guān)科技產(chǎn)品推廣效果顯著。

自動(dòng)化儀表網(wǎng)應(yīng)邀全程參與并報(bào)道此次會(huì)議。