旋翼無人機導(dǎo)航實驗教學(xué)平臺開發(fā)

張玲 熊智 康駿 李婉玲 李欣童 曹志國

[摘 要] 為了貫徹創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展戰(zhàn)略，國家發(fā)布了《中國制造2025》戰(zhàn)略計劃。教育部為了儲備相應(yīng)人才，于2017年推出了新工科建設(shè)計劃，目的是探索符合中國國情的工程教育模式。為推動航空科技創(chuàng)新，普及航空知識，提高國民航空意識，營造航空文化氛圍，中國航空工業(yè)集團公司與中國航空學(xué)會已連續(xù)六年舉辦“中航工業(yè)杯”國際無人飛行器創(chuàng)新大獎賽。作為其中一個重要項目的“旋翼類競技”旨在促進無人直升機創(chuàng)新。因此，以旋翼無人機為對象，開展集慣性導(dǎo)航、GPS導(dǎo)航、視覺導(dǎo)航、氣壓計、磁傳感器、激光雷達等各種機載導(dǎo)航傳感器于一體的智能感知導(dǎo)航實驗平臺開發(fā)研究，具有極其重要的現(xiàn)實意義。

[關(guān)鍵詞] 旋翼無人機;智能感知;實驗平臺開發(fā)

[中圖分類號] TP391.9? ? [文獻標識碼] A? ? [文章編號] 1674-9324（2020）41-0385-02? ? [收稿日期] 2020-04-02

南京航空航天大學(xué)自動化專業(yè)作為卓越工程師培養(yǎng)的重點專業(yè)，在培養(yǎng)目標中強調(diào)，要掌握自動化工程領(lǐng)域系統(tǒng)設(shè)計、實施、運行和維護的基本內(nèi)容和程序，具有應(yīng)用適當?shù)睦碚摵蛯嵺`方法解決工程實際問題的能力。具體到教學(xué)內(nèi)容上，就是強化專業(yè)課程實驗、課程設(shè)計、綜合設(shè)計等動手類課程的教學(xué)要求，培養(yǎng)和鍛煉學(xué)生對知識的應(yīng)用與拓展、對方法的驗證和創(chuàng)新等方面的能力，實現(xiàn)理論與實踐、課堂與課外、精深與綜合在教學(xué)環(huán)節(jié)中的平衡化。

針對自動化專業(yè)導(dǎo)航方向的學(xué)科研究背景，開展基于旋翼無人機的智能感知實驗平臺開發(fā)，可以為定位與導(dǎo)航、測試信號處理等專業(yè)基礎(chǔ)課程提供更契合專業(yè)方向的綜合實驗環(huán)境，也為大學(xué)生創(chuàng)新競賽等實踐創(chuàng)新類競賽活動提供良好的平臺，引導(dǎo)學(xué)生積極主動的思考與創(chuàng)新，最終培養(yǎng)具有航空航天和國防特色的專業(yè)人才。

一、自主飛行控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

傳感器系統(tǒng)主要包括加速度計、陀螺儀、常規(guī)GNSS、D-RTK GNSS和攝像機。攝像機部分在任務(wù)設(shè)備部分闡述。加速度計、陀螺儀和常規(guī)GNSS共有三套，實現(xiàn)冗余配置。D-RTK GNSS是高精度導(dǎo)航定位系統(tǒng)，通過實時動態(tài)差分技術(shù)將三維定位精度由米級提升至厘米級，集成定位、定高和測向功能，彌補了傳統(tǒng)GPS、氣壓計和磁羅盤的不足，為高精度應(yīng)用需求提供精準、可靠的系統(tǒng)解決方案。

飛控計算機分為上下兩層。下層為主控器，綜合利用IMU、氣壓計、D-RTK GNSS、磁羅盤等傳感器輸出信息實現(xiàn)精準的飛行器姿態(tài)控制;上層使用妙算處理板，其使用的NVIDIA Tegra K1處理器，最高主頻達2.2GHz，GPU核心具有強大的圖像處理能力，還能高效地處理并行任務(wù)，使用此處理板完成導(dǎo)航信息的處理、任務(wù)規(guī)劃、路徑規(guī)劃等，最終通過串口向主控器發(fā)送飛行指令，完成指定飛行動作。

二、自主飛行控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

飛行控制系統(tǒng)設(shè)計采用經(jīng)典控制方法，把控制通道劃分成內(nèi)環(huán)和外環(huán)二部分，外回路以軌跡控制為主，內(nèi)回路以姿態(tài)控制為主，對航向、俯仰、滾轉(zhuǎn)三個姿態(tài)通道分別進行控制。在真實的飛行器控制器設(shè)計中，運用最多的還是先內(nèi)環(huán)后外環(huán)的設(shè)計方法。雖然這種方法得不到最優(yōu)控制律，也更加依賴設(shè)計者的經(jīng)驗，但是這種方法更加成熟，設(shè)計的控制器結(jié)構(gòu)層次清晰，調(diào)試方便，其控制系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

三、實驗分析

精確引導(dǎo)過程中有對動態(tài)性能及穩(wěn)定性的要求，需要飛行器飛到指定位置所需時間短，調(diào)節(jié)時間短，超調(diào)不可過大，穩(wěn)態(tài)誤差小，所以采用分段PID設(shè)計控制器。在飛行器距離目標點較遠時，采用高動態(tài)，大速度的控制參數(shù)以縮短飛行時間;在距離目標點1米以內(nèi)的位置采用低動態(tài)，大制動的控制參數(shù)以控制飛行器的速度;在距離目標點0.5米以內(nèi)的位置時，主要調(diào)節(jié)穩(wěn)態(tài)誤差。實驗結(jié)果如圖2所示。

四、結(jié)語

本文開發(fā)了一套基于旋翼無人機的智能感知導(dǎo)航實驗教學(xué)開發(fā)平臺，設(shè)計了飛行控制硬件系統(tǒng)，并開發(fā)了相應(yīng)的軟件平臺。通過實驗分析，得到了旋翼無人機自主飛行任務(wù)下的位置變化圖形，驗證了本文開發(fā)的基于旋翼無人機導(dǎo)航實驗平臺的有效性，也為本科實踐課程的教學(xué)提供了良好的理論與實踐基礎(chǔ)平臺。

參考文獻

[1]王帥，周洋.用于危險區(qū)域物品清理的四旋翼飛行抓捕手[J].兵工自動化，2011，3（03）：78-80.

[2]魏麗娜，寧會峰，陸旺，韓曉靜.多旋翼飛行器的關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用前景[J].自動化技術(shù)與應(yīng)用，2016，（09）：1-4.

[3]倪力學(xué)，徐貴力.無人機視覺著陸中合作目標的識別技術(shù)研究[J].計算機測量與控制，2005，13（11）：1260-1262.