作者/陳玉，長江工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院

傳感器在無人機飛行控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

作者/陳玉，長江工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院

隨著時代的不斷發(fā)展，對于無人機的研究也越來越深入，其中傳感器作為無人機的有效荷載一直是人們的研究重點。不同類型的無人機根據(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。本文主要通過分析傳感器及其基本原理和傳感器在無人機飛行控制系統(tǒng)中的應(yīng)用來進(jìn)行研究。

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

引言

隨著時代的不斷發(fā)展，科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，人們對于無人機技術(shù)的研究也越來越重視，因此無人機技術(shù)的發(fā)展越來越成熟。無人機指的是基于地面站控制系統(tǒng)或者可以實現(xiàn)預(yù)定個軌跡自主飛行來完成各種飛行任務(wù)的無人駕駛飛行器[1]。無人機導(dǎo)航系統(tǒng)的主要任務(wù)是確定無人機實時位置和速度等相關(guān)參數(shù)或信息，隨著無人機系統(tǒng)技術(shù)的不斷發(fā)展和無人機系統(tǒng)應(yīng)用的不斷深入，對導(dǎo)航系統(tǒng)精度的要求將會越來越高。因此無人機系統(tǒng)對精度的要求非常高，高動態(tài)性和高可靠性的自主導(dǎo)航，為了進(jìn)一步提高無人機系統(tǒng)各方面的性能，多傳感器的運用就非常有必要了[2]。將多傳感器運用到無人機系統(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，無人機系統(tǒng)通過結(jié)合多種類型的傳感器來提高其自身的性能，如自主導(dǎo)航系統(tǒng)在時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)定的被測量件并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用信號的器件或裝置，通常由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成。對于無人機系統(tǒng)而言，無人機自主導(dǎo)航是指無人機在不依賴地面人員測控的條件下，能夠自主確定位置和速度的能力。對于任何一個單一的無人機導(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)是無人機導(dǎo)航系統(tǒng)中關(guān)鍵核心技術(shù)之一。對于多傳感器而言，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：時變或時不變，實時或非實時，快變的或緩變的等等[4]。因此多傳感器的信息融合是一個非常復(fù)雜的過程。多傳感器信息融合系統(tǒng)可以有效利用各個傳感器的性能來最大程度獲取被探測目標(biāo)和環(huán)境的信息量。總的來說，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)對準(zhǔn)、點跡相關(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，但對技術(shù)要求比較高。分布式融合結(jié)構(gòu)主要是指系統(tǒng)中的每個傳感器都具有其自己的處理器，通過處理器將信息進(jìn)行初步的處理在送至融合中心。這種方式是運用比較多的，因為其具有獨立跟蹤能力、全局監(jiān)視和評估等特性。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，但是其成本非常高。對于多級式融合結(jié)構(gòu)而言，各局部節(jié)點可以同時或分別是集中式、分布式或混合式的融合中心，如圖1所示。

圖1 多級式融合結(jié)構(gòu)模型

2.傳感器在無人機飛行控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

■2.1 機載傳感器網(wǎng)絡(luò)

機載傳感器網(wǎng)絡(luò)是指無人機平臺所搭載的各種傳感器的一個集成統(tǒng)稱。傳感器網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成無人機平臺應(yīng)用的終端，直接獲取所需的物資或數(shù)據(jù)。當(dāng)無人機獲取了相關(guān)的信息或數(shù)據(jù)時，可以通過無線傳輸系統(tǒng)將信息或數(shù)據(jù)實時地傳回地面相應(yīng)的監(jiān)測中心，有時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人機的存貯裝置中，當(dāng)其結(jié)束飛行任務(wù)時再將信息或數(shù)據(jù)進(jìn)行詳細(xì)的處理[6]。機載傳感器網(wǎng)絡(luò)是整個無人機系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集的核心部分，因此具有重要的意義和作用。為了提高機載傳感器的效率和可靠性，可以通過優(yōu)化布局和協(xié)調(diào)路線的方式來實現(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)和動態(tài)特性參數(shù)。對于靜態(tài)特性參數(shù)而言，它主要是指輸入量和輸出量和時間無關(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]。對于動態(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量的最小變化的能力。對于整個無人機系統(tǒng)而言，傳感器具有非常重要的最用，它直接影響無人機的運行安全以及是否能按時完成任務(wù)。對于傳感器而言，傳感器參數(shù)是非常重要的，為了確保無人機的安全運行和任務(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人機自主精確導(dǎo)航系統(tǒng)流程圖。對于無人機而言，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)的特點和各種荷載來確定整個無人機自主精確導(dǎo)航系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。同時還需要結(jié)合不同特性的傳感器和平臺來輔助無人機來執(zhí)行任務(wù)，從而進(jìn)行多傳感器信息融合。對于整個無人機自主精確導(dǎo)航系統(tǒng)而言，它是根據(jù)無人機所執(zhí)行任務(wù)的特性來確定所結(jié)合的多種傳感器的類型，進(jìn)而來確定多種傳感器信息融合方式和實行方案。

無人機自主導(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還必須具備處理這些信息的能力。

第二，對導(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。

與此同時該系統(tǒng)還需要滿足各項性能，例如可靠性、適應(yīng)性、精確性和實時性等等?？偟膩碚f，傳感器在無人機自主精確導(dǎo)航系統(tǒng)中具有非常重要的作用，它可以通過其自身所具有的特性來提高無人機的各個方面的性能，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

隨著時代的不斷發(fā)展，無人機技術(shù)的發(fā)展必將越來越成熟，而傳感器對其的發(fā)展具有非常積極的促進(jìn)作用。通過結(jié)合多種類型的傳感器，無人機可以更好地完成各種類型的任務(wù)，同時還可以使無人機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優(yōu)勢。不同類型的傳感器所具有的特性是不一樣的，所以可以賦予無人機多種功能，如對空探測、對地探測、通信等多種功能，使其能更加順應(yīng)時代的發(fā)展。在未來，傳感器無人機的發(fā)展方向?qū)悄芑⒋髷?shù)據(jù)化等方向發(fā)展，同時無人機的類型也將更加豐富以滿足不同種類任務(wù)的需要。但是傳感器無人機的研究所涉及的內(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，所以這是一項非常復(fù)雜且困難的工程，但是其一旦研究成功必將對信息化戰(zhàn)爭產(chǎn)生巨大的影響，將會是革命性的影響。但是傳感器無人機非常具有發(fā)展前景，相信在不久的未來，隨著科學(xué)技術(shù)發(fā)展得越來越成熟，傳感器無人機技術(shù)一定會越來越成熟，更好為我們服務(wù)。

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

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

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

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

＊ [5]李永樂，黃肇星，問鼎.傳感器網(wǎng)絡(luò)在環(huán)保型無人機中的運用研究[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人機自主精確導(dǎo)航技術(shù)[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報，2010（2）：70-74.

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