傳感器在無(wú)人機(jī)飛行控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

作者/陳玉，長(zhǎng)江工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院

傳感器在無(wú)人機(jī)飛行控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

作者/陳玉，長(zhǎng)江工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院

隨著時(shí)代的不斷發(fā)展，對(duì)于無(wú)人機(jī)的研究也越來(lái)越深入，其中傳感器作為無(wú)人機(jī)的有效荷載一直是人們的研究重點(diǎn)。不同類型的無(wú)人機(jī)根據(jù)其搭載的不同傳感器具有不同的功能，從而完成不同的工作。本文主要通過(guò)分析傳感器及其基本原理和傳感器在無(wú)人機(jī)飛行控制系統(tǒng)中的應(yīng)用來(lái)進(jìn)行研究。

無(wú)人機(jī)；多傳感器信息融合；傳感器網(wǎng)絡(luò)；控制系統(tǒng)

引言

隨著時(shí)代的不斷發(fā)展，科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，人們對(duì)于無(wú)人機(jī)技術(shù)的研究也越來(lái)越重視，因此無(wú)人機(jī)技術(shù)的發(fā)展越來(lái)越成熟。無(wú)人機(jī)指的是基于地面站控制系統(tǒng)或者可以實(shí)現(xiàn)預(yù)定個(gè)軌跡自主飛行來(lái)完成各種飛行任務(wù)的無(wú)人駕駛飛行器[1]。無(wú)人機(jī)導(dǎo)航系統(tǒng)的主要任務(wù)是確定無(wú)人機(jī)實(shí)時(shí)位置和速度等相關(guān)參數(shù)或信息，隨著無(wú)人機(jī)系統(tǒng)技術(shù)的不斷發(fā)展和無(wú)人機(jī)系統(tǒng)應(yīng)用的不斷深入，對(duì)導(dǎo)航系統(tǒng)精度的要求將會(huì)越來(lái)越高。因此無(wú)人機(jī)系統(tǒng)對(duì)精度的要求非常高，高動(dòng)態(tài)性和高可靠性的自主導(dǎo)航，為了進(jìn)一步提高無(wú)人機(jī)系統(tǒng)各方面的性能，多傳感器的運(yùn)用就非常有必要了[2]。將多傳感器運(yùn)用到無(wú)人機(jī)系統(tǒng)中，是近期出現(xiàn)的，且其具有非常良好的發(fā)展前景。不同的傳感器具有不同的特定，無(wú)人機(jī)系統(tǒng)通過(guò)結(jié)合多種類型的傳感器來(lái)提高其自身的性能，如自主導(dǎo)航系統(tǒng)在時(shí)間上和空間上的覆蓋范圍提高，導(dǎo)航傳感器信息的使用效率提高并增加了信息的可信度[3]。

1.傳感器及其基本原理

傳感器的定義是能感受規(guī)定的被測(cè)量件并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用信號(hào)的器件或裝置，通常由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成。對(duì)于無(wú)人機(jī)系統(tǒng)而言，無(wú)人機(jī)自主導(dǎo)航是指無(wú)人機(jī)在不依賴地面人員測(cè)控的條件下，能夠自主確定位置和速度的能力。對(duì)于任何一個(gè)單一的無(wú)人機(jī)導(dǎo)航系統(tǒng)而言基本很難達(dá)到所期望的目的地，因此為了保證其能正常完成任務(wù)，多傳感器信息融合是非常有必要的。多傳感器信息融合技術(shù)是無(wú)人機(jī)導(dǎo)航系統(tǒng)中關(guān)鍵核心技術(shù)之一。對(duì)于多傳感器而言，不同類型的傳感器所具有的特性是不一樣的，因此不同的傳感器所提供的信息具有不一樣的特征：時(shí)變或時(shí)不變，實(shí)時(shí)或非實(shí)時(shí)，快變的或緩變的等等[4]。因此多傳感器的信息融合是一個(gè)非常復(fù)雜的過(guò)程。多傳感器信息融合系統(tǒng)可以有效利用各個(gè)傳感器的性能來(lái)最大程度獲取被探測(cè)目標(biāo)和環(huán)境的信息量?？偟膩?lái)說(shuō)，多傳感器的信息融合主要有四種模型結(jié)構(gòu)，分別是集中式融合結(jié)構(gòu)、分布式融合結(jié)構(gòu)、混合式融合結(jié)構(gòu)和多級(jí)式融合結(jié)構(gòu)[5]。集中式融合結(jié)構(gòu)主要是將傳感器所獲取的信息集中到融合中心在進(jìn)行數(shù)據(jù)對(duì)準(zhǔn)、點(diǎn)跡相關(guān)、數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)等等。這種方式具有信息損失小的特點(diǎn)，但對(duì)技術(shù)要求比較高。分布式融合結(jié)構(gòu)主要是指系統(tǒng)中的每個(gè)傳感器都具有其自己的處理器，通過(guò)處理器將信息進(jìn)行初步的處理在送至融合中心。這種方式是運(yùn)用比較多的，因?yàn)槠渚哂歇?dú)立跟蹤能力、全局監(jiān)視和評(píng)估等特性。混合式融合結(jié)構(gòu)則是在前兩者的基礎(chǔ)之上進(jìn)行的，它具有前兩種方式的優(yōu)點(diǎn)，但是其成本非常高。對(duì)于多級(jí)式融合結(jié)構(gòu)而言，各局部節(jié)點(diǎn)可以同時(shí)或分別是集中式、分布式或混合式的融合中心，如圖1所示。

圖1 多級(jí)式融合結(jié)構(gòu)模型

2.傳感器在無(wú)人機(jī)飛行控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

■2.1 機(jī)載傳感器網(wǎng)絡(luò)

機(jī)載傳感器網(wǎng)絡(luò)是指無(wú)人機(jī)平臺(tái)所搭載的各種傳感器的一個(gè)集成統(tǒng)稱。傳感器網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成無(wú)人機(jī)平臺(tái)應(yīng)用的終端，直接獲取所需的物資或數(shù)據(jù)。當(dāng)無(wú)人機(jī)獲取了相關(guān)的信息或數(shù)據(jù)時(shí)，可以通過(guò)無(wú)線傳輸系統(tǒng)將信息或數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)地傳回地面相應(yīng)的監(jiān)測(cè)中心，有時(shí)為了保證所獲取信息或數(shù)據(jù)的安全性，可以先將其保存在無(wú)人機(jī)的存貯裝置中，當(dāng)其結(jié)束飛行任務(wù)時(shí)再將信息或數(shù)據(jù)進(jìn)行詳細(xì)的處理[6]。機(jī)載傳感器網(wǎng)絡(luò)是整個(gè)無(wú)人機(jī)系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集的核心部分，因此具有重要的意義和作用。為了提高機(jī)載傳感器的效率和可靠性，可以通過(guò)優(yōu)化布局和協(xié)調(diào)路線的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)。

■2.2 傳感器參數(shù)

傳感器參數(shù)主要有兩種，分別是靜態(tài)特性參數(shù)和動(dòng)態(tài)特性參數(shù)。對(duì)于靜態(tài)特性參數(shù)而言，它主要是指輸入量和輸出量和時(shí)間無(wú)關(guān)的參數(shù)，主要包括了線性度、靈敏度、重復(fù)性等參數(shù)[7]。對(duì)于動(dòng)態(tài)特性參數(shù)而言，它主要是指階躍響應(yīng)和頻率響應(yīng)。與此同時(shí)還有傳感器的分辨率，它與傳感器的穩(wěn)定性存在一種負(fù)相相關(guān)性，主要指的是傳感器可感受到的被測(cè)量的最小變化的能力。對(duì)于整個(gè)無(wú)人機(jī)系統(tǒng)而言，傳感器具有非常重要的最用，它直接影響無(wú)人機(jī)的運(yùn)行安全以及是否能按時(shí)完成任務(wù)。對(duì)于傳感器而言，傳感器參數(shù)是非常重要的，為了確保無(wú)人機(jī)的安全運(yùn)行和任務(wù)完成進(jìn)行傳感器參數(shù)的校準(zhǔn)具有重要意義。

■2.3 精確導(dǎo)航控制技術(shù)

圖2所示的是基于多傳感器信息融合的無(wú)人機(jī)自主精確導(dǎo)航系統(tǒng)流程圖。對(duì)于無(wú)人機(jī)而言，它所執(zhí)行的任務(wù)種類和數(shù)量都是比較多的，為了保證其能順利完成任務(wù)就需要根據(jù)任務(wù)的特點(diǎn)和各種荷載來(lái)確定整個(gè)無(wú)人機(jī)自主精確導(dǎo)航系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。同時(shí)還需要結(jié)合不同特性的傳感器和平臺(tái)來(lái)輔助無(wú)人機(jī)來(lái)執(zhí)行任務(wù)，從而進(jìn)行多傳感器信息融合。對(duì)于整個(gè)無(wú)人機(jī)自主精確導(dǎo)航系統(tǒng)而言，它是根據(jù)無(wú)人機(jī)所執(zhí)行任務(wù)的特性來(lái)確定所結(jié)合的多種傳感器的類型，進(jìn)而來(lái)確定多種傳感器信息融合方式和實(shí)行方案。

無(wú)人機(jī)自主導(dǎo)航系統(tǒng)它必須要具備以下能力：

第一，該系統(tǒng)必須具有可以接收信息的能力同時(shí)還必須具備處理這些信息的能力。

第二，對(duì)導(dǎo)航信息進(jìn)行信息融合，提供精確的位置、速度、加速度和姿態(tài)等導(dǎo)航信息。

第三，全系統(tǒng)信息余度控制和優(yōu)化，子系統(tǒng)故障診斷與隔離，提供最優(yōu)的多余度高精度導(dǎo)航信息，提供輔助決策能力。

與此同時(shí)該系統(tǒng)還需要滿足各項(xiàng)性能，例如可靠性、適應(yīng)性、精確性和實(shí)時(shí)性等等?？偟膩?lái)說(shuō)，傳感器在無(wú)人機(jī)自主精確導(dǎo)航系統(tǒng)中具有非常重要的作用，它可以通過(guò)其自身所具有的特性來(lái)提高無(wú)人機(jī)的各個(gè)方面的性能，從而使其具有更加優(yōu)良的性能，以便更好的完成所需要完成的任務(wù)。

3.結(jié)語(yǔ)

隨著時(shí)代的不斷發(fā)展，無(wú)人機(jī)技術(shù)的發(fā)展必將越來(lái)越成熟，而傳感器對(duì)其的發(fā)展具有非常積極的促進(jìn)作用。通過(guò)結(jié)合多種類型的傳感器，無(wú)人機(jī)可以更好地完成各種類型的任務(wù)，同時(shí)還可以使無(wú)人機(jī)具有更大的荷載能力和預(yù)警監(jiān)視能力以及更大的航程和航時(shí)優(yōu)勢(shì)。不同類型的傳感器所具有的特性是不一樣的，所以可以賦予無(wú)人機(jī)多種功能，如對(duì)空探測(cè)、對(duì)地探測(cè)、通信等多種功能，使其能更加順應(yīng)時(shí)代的發(fā)展。在未來(lái)，傳感器無(wú)人機(jī)的發(fā)展方向?qū)?huì)朝著智能化、大數(shù)據(jù)化等方向發(fā)展，同時(shí)無(wú)人機(jī)的類型也將更加豐富以滿足不同種類任務(wù)的需要。但是傳感器無(wú)人機(jī)的研究所涉及的內(nèi)容包括航空和電子兩大領(lǐng)域，因此在進(jìn)行其研究時(shí)本身就具有非常大的難度，且涉及的技術(shù)也難度比較高，所以這是一項(xiàng)非常復(fù)雜且困難的工程，但是其一旦研究成功必將對(duì)信息化戰(zhàn)爭(zhēng)產(chǎn)生巨大的影響，將會(huì)是革命性的影響。但是傳感器無(wú)人機(jī)非常具有發(fā)展前景，相信在不久的未來(lái)，隨著科學(xué)技術(shù)發(fā)展得越來(lái)越成熟，傳感器無(wú)人機(jī)技術(shù)一定會(huì)越來(lái)越成熟，更好為我們服務(wù)。

＊ [1]劉曉東，鐘麥英，柳海.基于EKF的無(wú)人機(jī)飛行控制系統(tǒng)故障檢測(cè)[J].上海交通大學(xué)學(xué)報(bào),2015,49(6):884-888.

＊ [2]孫京寧，王眉.無(wú)人機(jī)飛行控制系統(tǒng)的傳感器技術(shù)特性研究[J]無(wú)線互聯(lián)科技,2010(3):13-14.

＊ [3]許中沖.基于多傳感器信息融合的無(wú)人機(jī)飛行控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D].中國(guó)民航大學(xué), 2016.

＊ [4]姚瑞文.一種基于安卓手機(jī)和外部傳感器的無(wú)人機(jī)飛行控制系統(tǒng):CN105068544A[P].2015.

＊ [5]李永樂(lè)，黃肇星，問(wèn)鼎.傳感器網(wǎng)絡(luò)在環(huán)保型無(wú)人機(jī)中的運(yùn)用研究[J].科技論文與案例交流，2015（01）：11-13.

＊ [6]卜彥龍，牛軼峰，沈林成.基于多傳感器信息融合的無(wú)人機(jī)自主精確導(dǎo)航技術(shù)[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)，2010（2）：70-74.

＊ [7]李國(guó)民，張軍紅.傳感器無(wú)人機(jī)發(fā)展?fàn)顩r及其關(guān)鍵技術(shù)[J]飛行力學(xué)，2012（12）：481-484.