探究小型無人機(jī)的航電系統(tǒng)相關(guān)設(shè)計

余蘭 謝瑞朋

摘要：隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展進(jìn)步，小型無人機(jī)的發(fā)展越來越快，其應(yīng)用也越來越廣泛。航電系統(tǒng)在小型無人機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)無人自主飛行中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。本文主要通過介紹小型無人機(jī)航電系統(tǒng)的主要構(gòu)成、機(jī)載傳感器以及控制飛行的計算機(jī)的方案設(shè)計以及分析討論了整個航電系統(tǒng)的可靠性等方面對小型無人機(jī)的航電系統(tǒng)的設(shè)計做出了研究和分析。

關(guān)鍵詞：小型無人機(jī)；航電系統(tǒng)；相關(guān)設(shè)計；

小型無人機(jī)由于具備飛行靈活、體積小、不會造成人員損傷等方面的優(yōu)點，其在生活中被應(yīng)用的越來越廣泛，比如：地震災(zāi)區(qū)勘探、巡視邊境、交通檢查、通訊檢查、噴灑農(nóng)藥等等警用、民用以及軍用的各個方面。航電系統(tǒng)是小型無人機(jī)能夠自主飛行的基礎(chǔ)部件也是必不可少的部件。小型無人機(jī)由于受到載重能力以及具體成本的影響，其對自身的航電系統(tǒng)在體積大小、能耗多少以及本身的重量等方面有著極其苛刻的要求?，F(xiàn)階段國內(nèi)外的小型無人機(jī)的航電系統(tǒng)大多是采用商業(yè)用的通過慣性來測量的單元構(gòu)成，其優(yōu)點是可以有效的縮短研發(fā)的時間，但是花銷很大而且不利于系統(tǒng)重量的減輕，本文主要介紹的是集成式的小型無人機(jī)航電系統(tǒng)，其可以有效的降低成本和減輕自身的重量。

一、小型無人機(jī)航電系統(tǒng)的主要構(gòu)成

小型無人機(jī)航電系統(tǒng)的主要構(gòu)成包括：機(jī)載的傳感器、供電系統(tǒng)、控制飛行的計算機(jī)、無線數(shù)據(jù)傳送系統(tǒng)、接收器等。機(jī)載的傳感器主要是用來收集無人機(jī)在飛行時各種狀態(tài)的數(shù)據(jù)信息。然后傳輸給控制飛行的計算機(jī)進(jìn)行分析處理?？刂骑w行的計算機(jī)其主要作用是收集和分析處理各個傳感器的數(shù)據(jù)信息、給無人機(jī)提供飛行導(dǎo)航、進(jìn)行內(nèi)部的各種算法的運算以及通過無線數(shù)據(jù)傳輸模塊跟地面基站之間進(jìn)行通訊交流。

二、機(jī)載傳感器的設(shè)計方案

小型無人機(jī)實現(xiàn)自主飛行所需要的速度、方向、具體位置、飛行高度、電機(jī)的轉(zhuǎn)速等等的信息都是由飛機(jī)上所攜帶的傳感器來提供的。機(jī)載傳感器的主要組成部件包括：三軸的陀螺器、三軸的加速度器、三軸的磁力器、高度探測聲納器、GPS定位器和轉(zhuǎn)速計量器。

無人機(jī)飛機(jī)所在坐標(biāo)的飛行實時角速度數(shù)據(jù)由三個相互正交位置安裝的陀螺器進(jìn)行測量，由于小型無人機(jī)飛行時震動的頻率非常高，因此此處選用的陀螺器應(yīng)具備非常好的抗震動性能；陀螺器的信號信息則是由下級的控制器進(jìn)行采集，具體的設(shè)計選擇時應(yīng)考慮其量程范圍和分辨率；同時為了補(bǔ)償陀螺器與加速度探測器之間的溫度差，所選的陀螺器內(nèi)部最好設(shè)置有測量溫度用的傳感器；飛機(jī)坐標(biāo)系中的比力方面的信息是由三軸的加速度測量器來具體測量的，選擇具體型號時應(yīng)考慮無人機(jī)的震動幅度，一般無人機(jī)的振幅在1g左右，因此加速度測量器的量程在±6g便足夠。通常情況下，下級的控制器對各個傳感器信息的采集頻率為50HZ，為了避免假的頻率對數(shù)據(jù)收集的干擾，通常陀螺器和加速度器輸出的模擬信號在經(jīng)過模擬濾波器將其過濾到8HZ時再進(jìn)行采樣。

地磁場測量的工作是由航電系統(tǒng)中的磁力器來完成的，這里介紹一種比較實用的磁力器：HMC1021/1022磁力器，其屬于Honeywell旗下的產(chǎn)品，該型號的磁力器工作時可以將地磁場的具體強(qiáng)度大小轉(zhuǎn)化為毫伏級別精度的差分電壓進(jìn)行輸出，然后經(jīng)由AMP04電壓放大器將這個毫伏級的電壓進(jìn)行放大后進(jìn)行AD采集，介于AMP04的功能限制，為了防止無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)?00MH的電磁噪音的干擾，磁力器測量的信息需要事先進(jìn)行低通的濾波操作。另外，HMC102/1022將復(fù)位和置位功能進(jìn)行了有效的集成，這樣可以有效的減少甚至消除非線性的誤差、交叉軸之間的影響以及因高強(qiáng)度磁場存在而引起的信息丟失，在系統(tǒng)具體的實現(xiàn)過程中，復(fù)位和置位的操作都是在數(shù)據(jù)信息收集完后進(jìn)行的[1]。

GPS是用來測量無人機(jī)的具體位置、飛行速度和飛行時間的，考慮到功能和成本的要求，這里主要介紹OEM4 G2L和Superstar II兩種系統(tǒng)模塊，這兩種系統(tǒng)模塊之間可以借助與連接板來實現(xiàn)互換，OEM4 G2L系統(tǒng)模塊可以實現(xiàn)高定位精度和高機(jī)動性能的飛行，而在對成本要求較高的情況下則可以選用Superstar II系統(tǒng)模塊。

高度測量聲納器可以進(jìn)行無人機(jī)高度的精確測量，主要用于無人機(jī)的起飛以及落地階段，這里主要介紹SRF08聲納高度測量器，其具備重量輕、能耗低成本小的特點，同時它的精度可以達(dá)到0.01m的分辨率。我們需要注意的是，在存在復(fù)雜的反射平面的特殊場合比如多草地，聲納高度測量器會出現(xiàn)由于反射面多而導(dǎo)致反射信息復(fù)雜而產(chǎn)生檢測誤差的情況，現(xiàn)如今，比較好的解決方案是對聲納發(fā)射的信息進(jìn)行降頻操作使其頻率到1HZ左右來達(dá)到提高測量信息準(zhǔn)確度的目的。

三、控制飛行的計算機(jī)

控制無人機(jī)飛行的計算機(jī)主要由PC104和其下級的具體控制器組成。PC104的主要作用是采集GPS和下級的控制器的數(shù)據(jù)以及同地面基站之間的通訊交流，實現(xiàn)無人機(jī)飛行的導(dǎo)航運算、飛行控制運算和具體的飛行軌跡運算并將信息傳遞給下級的控制器，從而實現(xiàn)對無人機(jī)的飛行掌控。無人機(jī)飛行控制的計算機(jī)就相當(dāng)于無人機(jī)的大腦，要實現(xiàn)無人機(jī)的準(zhǔn)確飛行，就需要控制計算機(jī)準(zhǔn)確的計算飛行路徑，這需要其具備非常高的處理運算能力，這里介紹SCM/SPT2C PC104系統(tǒng)模塊做為無人機(jī)的飛行控制計算機(jī)。這個PC104系統(tǒng)模塊的速度可以達(dá)到300兆赫茲，它將128兆的RAM、六個RS232連接口和32兆的DOC集成在一起，可以實現(xiàn)對無人機(jī)的實時性控制。

四、系統(tǒng)的可靠性分析

小型無人機(jī)能否實現(xiàn)安全的飛行其取決于自身的可靠性，因而我們在進(jìn)行航電系統(tǒng)的相關(guān)設(shè)計時必須將可靠性放在首位去考慮。在具體的飛行過程中，機(jī)身的震動、電機(jī)的溫度等都會影響到電子設(shè)備的正常工作，更嚴(yán)重的還會導(dǎo)致電子設(shè)施的失靈和損壞，為了增加航電系統(tǒng)的可靠性，我們需要做一下的措施：航電系統(tǒng)安裝盒要采用減震措施安裝從而減少震動對信號的影響；主電源與舵機(jī)的電源要相互絕對獨立，來減少舵機(jī)的工作電流變化對航電系統(tǒng)帶來不必要的干擾；將要傳送的信號實行光耦隔離措施，以保證信號的準(zhǔn)確性；介于無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓β时容^大會對其它的電子模塊造成干擾，可以將其安裝在無人機(jī)的尾部，使其遠(yuǎn)離其它的電子設(shè)備。

綜上所述，小型無人機(jī)的發(fā)展還有很長的路要走，航電系統(tǒng)作為無人機(jī)發(fā)展的核心部分，我們的設(shè)計人員需要加大對其的研究力度，在學(xué)習(xí)國內(nèi)外先進(jìn)的設(shè)計理念的基礎(chǔ)上，不斷的發(fā)展自身的創(chuàng)新，為我國小型無人機(jī)的不斷發(fā)展貢獻(xiàn)自己的力量。

參考文獻(xiàn)：

[1]徐玉.微小型無人直升機(jī)航電系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)[A].中國自動化學(xué)會控制理論專業(yè)委員會.中國自動化學(xué)會控制理論專業(yè)委員會B卷[C].中國自動化學(xué)會控制理論專業(yè)委員會：，2011：5.