魏秀卓，馬瑞，張晉東北師范大學(xué)人文學(xué)院

無(wú)人機(jī)飛行與拍攝穩(wěn)定性影響因素的探究

魏秀卓，馬瑞，張晉東北師范大學(xué)人文學(xué)院

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，無(wú)人機(jī)產(chǎn)業(yè)也迅速發(fā)展。在航拍、地理勘測(cè)、通訊及其他領(lǐng)域中越來(lái)越多的出現(xiàn)無(wú)人機(jī)的身影。對(duì)于無(wú)人機(jī)，他并不需要有人駕駛，我們可以通過(guò)遠(yuǎn)程操控來(lái)實(shí)現(xiàn)某些特定的功能，無(wú)人機(jī)具有飛行高度高，可攜帶外接設(shè)備等一系列優(yōu)點(diǎn)。無(wú)人機(jī)因其自身優(yōu)點(diǎn)以及高性?xún)r(jià)比等優(yōu)勢(shì)吸引了人們的高度關(guān)注，并且在發(fā)展的過(guò)程中取得了巨大突破，但其也有一些局限性以及缺陷，本文針對(duì)飛行器無(wú)人機(jī)穩(wěn)定性的因素進(jìn)行了探討。

無(wú)人機(jī)；飛行器；穩(wěn)定性

一、飛行控制器中PID值的自動(dòng)調(diào)整參數(shù)和人為調(diào)整參數(shù)對(duì)無(wú)人機(jī)穩(wěn)定性的影響

在無(wú)人機(jī)飛行穩(wěn)定性的影響因素中，飛行控制器是最為重要的因素之一，飛行控制器中主要的參數(shù)為PID值。而對(duì)PID值的調(diào)節(jié)可以分為自動(dòng)調(diào)整和人為調(diào)整。人為校準(zhǔn)PID值難度較大，需要豐富的經(jīng)驗(yàn)與長(zhǎng)時(shí)間的無(wú)人機(jī)飛行技巧，而自動(dòng)調(diào)整參數(shù)雖然很便捷，但是準(zhǔn)確性不高，容易造成偏差。PID的核心主要是為了計(jì)算輸入和輸出的信號(hào)誤差，從而進(jìn)行調(diào)整，在實(shí)際的飛行過(guò)程中，溫度、氣壓等也會(huì)影響PID的自動(dòng)調(diào)整。在這里我們提出利用計(jì)算機(jī)模擬飛行過(guò)程，將多組模擬飛行參數(shù)輸入飛行控制器中，在實(shí)際飛行過(guò)程中，飛行控制器調(diào)用之前模擬飛行實(shí)驗(yàn)的PID值，直到找到最佳、偏差最小的PID值。這樣的人為調(diào)整參數(shù)的方法，并不是最快捷的方法，因?yàn)榭刂破鳜F(xiàn)有的硬件并不能計(jì)算出來(lái)自己飛行最穩(wěn)定的值，那么我們利用IntelRealsense處理器，對(duì)處理器進(jìn)行算法編寫(xiě)，讓處理器能夠監(jiān)督飛行控制器進(jìn)行監(jiān)督學(xué)習(xí)，在每次飛行中，不斷的糾正自己的PID值，直到計(jì)算出最佳的PID值。這樣的純?nèi)斯ぶ悄艿姆椒?，更便捷、高效，并且大大的縮短了實(shí)驗(yàn)的周期。

二、無(wú)人機(jī)螺旋槳引起抖動(dòng)造成的拍攝不穩(wěn)定處理方法

無(wú)人機(jī)的抖動(dòng)一般由飛機(jī)螺旋槳的轉(zhuǎn)動(dòng)引起，而這種抖動(dòng)都是有規(guī)律的抖動(dòng)，可由BER測(cè)試儀進(jìn)行誤碼率測(cè)試，然后用抖動(dòng)分析儀來(lái)隔離誤差源。計(jì)算出抖動(dòng)的頻率后，利用示波器進(jìn)行規(guī)律分析，判斷出螺旋槳最高轉(zhuǎn)速和最低轉(zhuǎn)速時(shí)的最大抖動(dòng)值和最小抖動(dòng)值，利用CCD防抖技術(shù)，將CCD加裝在可以移動(dòng)的平臺(tái)上，在平臺(tái)有輕微顫抖時(shí)，CCD會(huì)根據(jù)輸入的最大抖動(dòng)值和最小抖動(dòng)值計(jì)算出足以抵消抖動(dòng)的移動(dòng)量。接下來(lái)，在飛行控制器中加裝CCD防抖組件，將CCD防抖組件和陀螺儀相連接，利用計(jì)算機(jī)計(jì)算出的抖動(dòng)頻率輸入在CCD和陀螺儀組成的防抖裝置上，在模擬飛行條件下進(jìn)行模擬飛行，造成最大的抖動(dòng)環(huán)境和最小的抖動(dòng)環(huán)境，測(cè)試此時(shí)無(wú)人機(jī)的抖動(dòng)是否有減少，在最后的計(jì)算機(jī)模擬實(shí)驗(yàn)中，利用CCD防抖技術(shù)之后，飛機(jī)的抖動(dòng)頻率發(fā)生在一個(gè)可控制范圍內(nèi)。

三、無(wú)人機(jī)在飛行過(guò)程中通過(guò)自我保護(hù)來(lái)確保拍攝的穩(wěn)定

無(wú)人機(jī)在飛行過(guò)程中由于相機(jī)的視角并沒(méi)有人眼的視角廣，并且無(wú)人機(jī)無(wú)法感知周?chē)奈矬w，在飛行過(guò)程中極易碰撞到物體，利用IntelRealsense處理器，在無(wú)人機(jī)的四周安裝紅外線測(cè)距傳感器，傳感器與IntelRealsense處理器連接，在處理器中利用計(jì)算機(jī)寫(xiě)出最小距離的躲避算法，連接傳感器并模擬無(wú)人機(jī)飛行，進(jìn)行試驗(yàn)，為防止數(shù)據(jù)丟失，最后把試驗(yàn)的數(shù)據(jù)保存在飛行控制器的存儲(chǔ)芯片中，當(dāng)無(wú)人機(jī)處理器中的存儲(chǔ)芯片發(fā)故障時(shí)，傳感器可以調(diào)用飛行控制器中的存儲(chǔ)器來(lái)執(zhí)行數(shù)據(jù)操作。

四、無(wú)人機(jī)拍攝云臺(tái)在無(wú)人機(jī)傾斜與俯仰時(shí)的自動(dòng)調(diào)平技術(shù)

無(wú)人機(jī)在轉(zhuǎn)向時(shí)會(huì)發(fā)生傾斜和俯仰，這時(shí)會(huì)對(duì)相機(jī)的拍攝造成成像影響，而成像的準(zhǔn)確性對(duì)于3D建模有著很高的要求。這時(shí)的傾斜和俯仰與飛機(jī)螺旋槳造成的抖動(dòng)性質(zhì)不一樣，這種傾斜和俯仰角速很大，不是CCD防抖組件可以調(diào)節(jié)的，這時(shí)我們采用兩軸的云臺(tái)進(jìn)行調(diào)節(jié)。

圖1 兩軸云臺(tái)調(diào)節(jié)

這樣的兩軸無(wú)刷云臺(tái)上部分采用PCB電路板，在PCB上裝有陀螺儀和加速度計(jì)，有傾斜軸和俯仰軸，當(dāng)飛機(jī)進(jìn)行左右移動(dòng)時(shí)，加速度計(jì)和陀螺儀會(huì)計(jì)算出傾斜值，并且傳給傾斜軸，傾斜軸會(huì)朝反方向移動(dòng)相同值，以保持無(wú)人機(jī)平衡，俯仰軸亦是如此。一般的陀螺儀和加速度計(jì)校準(zhǔn)方法采用的是手動(dòng)校準(zhǔn)，手動(dòng)校準(zhǔn)的誤差值較大，我們采用計(jì)算機(jī)算法進(jìn)行校準(zhǔn)，首先利用模擬實(shí)驗(yàn)進(jìn)行模擬拍攝，對(duì)拍攝出來(lái)的圖像進(jìn)行水平分析，利用傳感器輸入圖像，將圖像轉(zhuǎn)化為適合計(jì)算機(jī)的處理表達(dá)式，對(duì)現(xiàn)有的圖像進(jìn)行算法分解，計(jì)算出該區(qū)域拍攝時(shí)的水平誤差值，并將此值輸入云臺(tái)的加速計(jì)和陀螺儀中進(jìn)行校準(zhǔn)，反復(fù)多次，直到拍攝的圖像為最佳。這種水平校準(zhǔn)的方式尚屬首例，但是可以精確拍攝出地形地貌。

五、在抗風(fēng)性中，無(wú)人機(jī)俯仰與傾斜最大角度時(shí)的自我調(diào)節(jié)

利用卡爾曼濾波器濾波器與陀螺儀值相結(jié)合的方式，對(duì)飛機(jī)的最大傾斜角度和最大俯仰角度進(jìn)行優(yōu)化，利用MATLAB的算法計(jì)算出無(wú)人機(jī)在最大抗風(fēng)能力時(shí)PID的數(shù)值，再結(jié)合卡爾曼濾波器設(shè)計(jì)出帶有卡爾曼濾波器和陀螺儀相結(jié)合ApmWB3.11飛行控制器，在模擬器實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，這種相結(jié)合方法設(shè)計(jì)出來(lái)的飛行控制器最為穩(wěn)定，并且反應(yīng)速度最快，在大風(fēng)中的穩(wěn)定時(shí)間較長(zhǎng)，它可以隨著風(fēng)力的大小進(jìn)行自我調(diào)節(jié)并且自我調(diào)節(jié)的數(shù)值最為優(yōu)化。

結(jié)束語(yǔ)

無(wú)人機(jī)的快速發(fā)展會(huì)為當(dāng)今社會(huì)帶來(lái)極大的便利，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，無(wú)人機(jī)的應(yīng)用、研究、發(fā)展都將會(huì)逐步加快。本文主要針對(duì)無(wú)人機(jī)在飛行和拍攝過(guò)程中造成其不穩(wěn)定性的因素進(jìn)行了探討。在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中可能還會(huì)存在其它一些造成不穩(wěn)定性的因素，現(xiàn)提出的一些方法也存在一些不足，還希望在未來(lái)的工作中能逐步改進(jìn)。

[1]謝榛.基于無(wú)人機(jī)航拍圖像的室外場(chǎng)景三維重建技術(shù)研究，6-9頁(yè).

[2]李文慧,楊斌等.無(wú)人機(jī)遙感在三維地形建模中的應(yīng)用初探, 3-5頁(yè).

[3]劉歌群.無(wú)人機(jī)飛行控制器設(shè)計(jì)及檢測(cè)與控制技術(shù)研究，4-6頁(yè).

[4]郝恩敬，肖前貴，李志宇.無(wú)人機(jī)飛行控制器硬件設(shè)計(jì),3-4頁(yè).

[5]冀曉萌，董朝軼，李健，閆放.基于H2最優(yōu)控制的小型無(wú)人機(jī)飛行姿態(tài)控制器設(shè)計(jì).