摘 要隨著電子信息技術(shù)發(fā)展,無人機技術(shù)已成為一種重要的信息技術(shù)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(shù)研究現(xiàn)狀進(jìn)行分析,并展望無人機系統(tǒng)自主控制技術(shù)的未來趨勢。本文研究了無人機技術(shù)的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀,重點分析六軸飛行器研究領(lǐng)域當(dāng)前的關(guān)鍵技術(shù),包括無人機的研究與設(shè)計,并對無人機未來的發(fā)展進(jìn)行了探討。
【關(guān)鍵詞】電子信息 無人機 六軸飛行器 研究與設(shè)計
1 前言
無人機首次出現(xiàn)在 1917 年,主要應(yīng)用于防空導(dǎo)彈打靶、軍事偵察、載彈遠(yuǎn)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(jì) 50 年代末,20 世紀(jì) 90 年代末,發(fā)展才得以提速,國內(nèi)大學(xué)相繼成立了無人機專門研究機構(gòu),西安愛生技術(shù)集團(tuán)公司(西安無人機研究發(fā)展中心)成為國內(nèi)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(shè)在西北工業(yè)大學(xué)集科、工、貿(mào)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(wù)院發(fā)展研究中心確認(rèn)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(kuò)展到民用市場,而在測繪行業(yè)的應(yīng)用成為民用最大且發(fā)展較早的一個分支。中國測繪科學(xué)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(nèi)無人機應(yīng)用于測繪領(lǐng)域的先河。
目前國際上對多軸飛行器研究與設(shè)計較為深入,后期經(jīng)過大量實驗及不斷地調(diào)整和改進(jìn),合理的設(shè)計了六軸飛行器的整體結(jié)構(gòu)。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(diào)試問題
系統(tǒng)的軟件和硬件調(diào)節(jié)是一個漫長而復(fù)雜的過程,而且在調(diào)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(dǎo)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(jìn)行下一步的工作。雖然在調(diào)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(diào)試過程中的遇到的主要問題。
2.1 電機控制與驅(qū)動設(shè)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(zhuǎn)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(diào)試的時候,總出現(xiàn)電機不轉(zhuǎn)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(jìn)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(hù)電容導(dǎo)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(dāng)頻率較低時,可能會出現(xiàn)電機轉(zhuǎn)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(shè)計時由于沒有考慮飛行的重量,導(dǎo)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(dāng)重要,當(dāng)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(zhuǎn)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(guān)重要。并且在飛行器的飛行過程中,可以通過PID的調(diào)整來實現(xiàn)不同的飛行效果如翻滾動作,以達(dá)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(jié)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(jìn)行調(diào)節(jié),保證系統(tǒng)對飛行姿態(tài)的快速響應(yīng)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(dǎo)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(diào)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(dǎo)致系統(tǒng)循環(huán)一次的時間過長,系統(tǒng)響應(yīng)慢,傳輸數(shù)據(jù)的頻率過低,整個系統(tǒng)反應(yīng)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(jié)論
六軸飛行器是一種較為新型的飛行器,目前國內(nèi)外的發(fā)展迅速,在各個領(lǐng)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(shù)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(jié)合實際,發(fā)展到各個領(lǐng)域。本課題研究比較了許多國內(nèi)外的產(chǎn)品,并通過比較,結(jié)合其優(yōu)點,彌補其不足,根據(jù)實際情況進(jìn)行研發(fā),最終完成了六軸給星期的設(shè)計。隨著科學(xué)的發(fā)展,本文設(shè)計的六軸飛行器還可以得到更好的改進(jìn),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(xué),電氣工程學(xué)院,14級電子科學(xué)與技術(shù)專業(yè)在讀本科生。
作者單位
華北理工大學(xué)電氣工程學(xué)院 河北省唐山市 063009