基于微電子學的無人機技術

摘 要隨著電子信息技術發(fā)展，無人機技術已成為一種重要的信息技術手段，相較于有人機而言，無人機系統(tǒng)具有一定的“自主性”，能夠在一定程度上實現(xiàn)系統(tǒng)的自主控制，強化系統(tǒng)的智能性，是無人機系統(tǒng)發(fā)展的重要方向。本文就對無人機系統(tǒng)自主控制技術研究現(xiàn)狀進行分析，并展望無人機系統(tǒng)自主控制技術的未來趨勢。本文研究了無人機技術的國內外研究現(xiàn)狀，重點分析六軸飛行器研究領域當前的關鍵技術，包括無人機的研究與設計，并對無人機未來的發(fā)展進行了探討。

【關鍵詞】電子信息 無人機 六軸飛行器 研究與設計

1 前言

無人機首次出現(xiàn)在 1917 年，主要應用于防空導彈打靶、軍事偵察、載彈遠程打擊，尤其美國“全球鷹”、“捕食者”、“沙漠鷹”等型號的無人機在海灣戰(zhàn)爭、科索沃戰(zhàn)爭、阿富汗戰(zhàn)爭和伊拉克戰(zhàn)中在偵察和主動攻擊中所取得的良好軍事效果，使得世界各國首先在軍事上開始重視無人機的研制與開發(fā)。我國無人機發(fā)展起步于 20 世紀 50 年代末，20 世紀 90 年代末，發(fā)展才得以提速，國內大學相繼成立了無人機專門研究機構，西安愛生技術集團公司（西安無人機研究發(fā)展中心）成為國內一家主要的無人機研制生產(chǎn)廠商。它是航空工業(yè)總公司設在西北工業(yè)大學集科、工、貿一體化的現(xiàn)代化高科技企業(yè)，主要研制和生產(chǎn)系列化小型無人機系統(tǒng)，被國務院發(fā)展研究中心確認并入選“中華之最（1949-1995）”，是我國最大的無人飛機科研生產(chǎn)基地。隨后，無人機的發(fā)展逐步擴展到民用市場，而在測繪行業(yè)的應用成為民用最大且發(fā)展較早的一個分支。中國測繪科學研究院于 2003 年完成并通過國土資源部驗收的“UAVRS-II 型低空無人機遙感監(jiān)測系統(tǒng)的研制”項目，實現(xiàn)了無人機遙控、半自主、自主三種控制方式，利用獲取的影像制作了數(shù)字正射影像和線劃圖，開創(chuàng)了國內無人機應用于測繪領域的先河。

目前國際上對多軸飛行器研究與設計較為深入，后期經(jīng)過大量實驗及不斷地調整和改進，合理的設計了六軸飛行器的整體結構。六軸飛行器的支架通過3D打印而整體打印出成品模型，飛控板和電機都固定在打印出的架子上，將六個電機呈六邊形放置，使飛行器靈活并易于控制。電池利用扎帶固定在飛行器下方，以保證飛行器的重心偏下，增加飛行的靈活性。遙控器通過銅柱將兩個PCB板子連接起來，增加握持的手感，并且主要元件都放在兩塊PCB板中間，增加系統(tǒng)的安全性能前端引出無線通信模塊天線，增加傳輸?shù)墓β逝c距離。

2 調試問題

系統(tǒng)的軟件和硬件調節(jié)是一個漫長而復雜的過程，而且在調試過程中會不斷遇到各種問題如電機壞掉、MOS管燒掉、連接突然斷掉甚至在飛行過程中飛行器直接從空中衰落導致整個系統(tǒng)的崩潰。這些問題必須及時的解決，否則根本不能進行下一步的工作。雖然在調試過程中問題不斷，但是整個制作過程累積的大量的寶貴的經(jīng)驗，在飛行器終于能飛的時候，會發(fā)現(xiàn)自己的這些努力是值得的。下面列出調試過程中的遇到的主要問題。

2.1 電機控制與驅動設置問題

動力系統(tǒng)是多軸飛行器的核心系統(tǒng)，因為整個系統(tǒng)的最終目的就是通過PWM波來控制電機的轉速，保證動力系統(tǒng)的穩(wěn)定是飛行器能運動的前提。在開始調試的時候，總出現(xiàn)電機不轉的問題，通過不斷的驗證發(fā)現(xiàn)是電路MOS管選擇錯誤，最終選擇了P溝道增強型MOS管進行對電機的控制。在飛行過程中總會出現(xiàn)MOS管燒毀的情況，還有NRF24L01總是失聯(lián)，最終發(fā)現(xiàn)是沒有焊接保護電容導致，還有數(shù)字地和模擬的地信號沒有分開。并且STM32的PWM控制需要較高的的頻率，當頻率較低時，可能會出現(xiàn)電機轉速不均勻的情況，最終選擇的電機頻率為20KHz，能夠保證系統(tǒng)流暢的運行。

2.2 飛行器的重量問題

在開始設計時由于沒有考慮飛行的重量，導致飛行器根本飛不起來。之后更換飛行器支架，更換更大功率的電池，總體來說就是讓飛行器的重量更輕，讓飛行器電機的拉力更大。還有飛行器電機的垂直放置也是相當重要，當傾斜時，會有一部分的力是飛行器向某個方向飛行，并且這個力不容易抵消。

2.3 PID的參數(shù)整定問題

PID控制器直接控制的是飛行器的電機輸出，直接影響六個電機的轉速，控制飛行器的飛行姿態(tài)。因此合理的PID參數(shù)可以使飛行器更加平穩(wěn)的飛行，所以說PID參數(shù)對飛行器的姿態(tài)確定至關重要。并且在飛行器的飛行過程中，可以通過PID的調整來實現(xiàn)不同的飛行效果如翻滾動作，以達到在各種控制環(huán)境下的穩(wěn)定運行。PID參數(shù)中，P、I、D三個參數(shù)作用各不相同，在實際中，其輸出的結果是相互影響的。為了保證飛行器的平穩(wěn)飛行，需要多次對PID三個參數(shù)進行調節(jié)，保證系統(tǒng)對飛行姿態(tài)的快速響應以及在外界干擾到來時系統(tǒng)能夠穩(wěn)定的運行。

2.4 遙控器控制頻率問題

在剛開始遙控飛行時，遙控器對飛行器的控制總是慢0.2秒左右，導致遙控器不能實時的控制飛行器的姿態(tài)，出現(xiàn)一些意外的碰撞等狀況。調試遙控器的過程中發(fā)現(xiàn)，在主循環(huán)中加入了過多的程序，導致系統(tǒng)循環(huán)一次的時間過長，系統(tǒng)響應慢，傳輸數(shù)據(jù)的頻率過低，整個系統(tǒng)反應過慢。最后解決辦法是增大遙控器的頻率，并減小主函數(shù)中循環(huán)的代碼量，留下最基本的代碼，保證整個系統(tǒng)的流暢運行。

3 結論

六軸飛行器是一種較為新型的飛行器，目前國內外的發(fā)展迅速，在各個領域中都起到了重要的作用，并且將來會發(fā)展到更廣闊的空間。隨著技術上的發(fā)展，多軸飛行器會向微型化、自動化方向發(fā)展，能夠更好的結合實際，發(fā)展到各個領域。本課題研究比較了許多國內外的產(chǎn)品，并通過比較，結合其優(yōu)點，彌補其不足，根據(jù)實際情況進行研發(fā)，最終完成了六軸給星期的設計。隨著科學的發(fā)展，本文設計的六軸飛行器還可以得到更好的改進，隨著時間的推移，會有更好的產(chǎn)品出現(xiàn)在人們的面前。

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作者簡介

李杰（1994-），華北理工大學，電氣工程學院，14級電子科學與技術專業(yè)在讀本科生。

作者單位

華北理工大學電氣工程學院 河北省唐山市 063009