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        基于慣導(dǎo)以及GPS的飛行器定位系統(tǒng)

        2018-11-08 03:47:26許多倫蔡宇哲薛松浩余心軍
        信息記錄材料 2018年11期
        關(guān)鍵詞:操縱者慣導(dǎo)上位

        許多倫,蔡宇哲,薛松浩,余心軍

        (上海工程技術(shù)大學(xué)航空運(yùn)輸學(xué)院 飛行學(xué)院 上海 201620)

        1 引言

        本項(xiàng)目立足于國(guó)內(nèi)外先進(jìn)的航拍飛行器制造技術(shù),結(jié)合上位機(jī)數(shù)據(jù)傳輸功能的無(wú)人機(jī)的控制及位置跟蹤平臺(tái),設(shè)計(jì)裝配出的一套全新的無(wú)人機(jī)飛行器飛行定位控制系統(tǒng)。

        數(shù)據(jù)輸出系統(tǒng)是以無(wú)人機(jī)為被控對(duì)象,通通過(guò)上位機(jī)數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)輸出無(wú)人機(jī)的飛行數(shù)據(jù),主要作用是穩(wěn)定和監(jiān)控?zé)o人機(jī)的飛行參數(shù),飛行狀態(tài),飛行航向,實(shí)施無(wú)人機(jī)操控者對(duì)無(wú)人機(jī)的操控,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)無(wú)人機(jī),飛行姿態(tài),飛行速度,飛行航向等重要飛行參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)控。

        數(shù)據(jù)輸出系統(tǒng)主要由三個(gè)部分組成。數(shù)據(jù)模塊,飛行器,數(shù)據(jù)輸出軟件。模塊部分中包括慣導(dǎo)模塊,GPS模塊。飛行器則是四翼旋翼機(jī)。數(shù)據(jù)輸出系統(tǒng)及上位機(jī)軟件,他可以幫助操縱者得知無(wú)人機(jī)輸出的各項(xiàng)飛行參數(shù),幫助操縱者更直觀的了解無(wú)人機(jī)的飛行參數(shù),幫助操控者更為經(jīng)足額的操控?zé)o人飛行器。

        上位機(jī)模塊軟件在實(shí)時(shí)領(lǐng)域,是利用高性能的模塊化硬件,結(jié)合高效靈活的的慣導(dǎo)GPS模塊軟件來(lái)完成各種測(cè)試、測(cè)量以及數(shù)據(jù)輸出。

        目前在虛擬儀器領(lǐng)域,目前應(yīng)用較廣的軟件就是美國(guó)NI公司的Labview稱為“G語(yǔ)言”,是一種圖形化的程序語(yǔ)言。

        與Labview,以及其他很多軟件的不同之處是,使用上位機(jī)數(shù)據(jù)模塊進(jìn)行程序設(shè)計(jì)時(shí)不需要編輯程序代碼,而是直接使用芯片模塊與飛行器的的連接,進(jìn)行數(shù)據(jù)分析與輸出,它用芯片以及計(jì)算機(jī)的直接連接代替原有的程序代碼,使操縱者可以直觀的理解程序的流程,同時(shí)降低了無(wú)人機(jī)飛行器使用者的入門門檻,是受眾面更加廣泛。上位機(jī)模塊是有高性能的模塊化的軟硬件,使其具有高性能、擴(kuò)展強(qiáng)、開(kāi)發(fā)周期短,泛用性強(qiáng)的特點(diǎn)。正因?yàn)橐陨狭_列的這些優(yōu)點(diǎn),在這次項(xiàng)目的測(cè)試使用過(guò)程中,我們選擇它作為我們最主要的數(shù)據(jù)分析輸出系統(tǒng)。

        2 基于慣導(dǎo)以及GPS的飛行器定位系統(tǒng)

        “基于慣導(dǎo)以及GPS的飛行器定位系統(tǒng)”主要采用衛(wèi)星定位系統(tǒng),包括GPS定位,慣性導(dǎo)航系統(tǒng)等。

        本設(shè)計(jì)立足國(guó)內(nèi)外先進(jìn)的定位設(shè)備,通過(guò)自主設(shè)計(jì)一套將GPS,INS模塊優(yōu)點(diǎn)結(jié)合,從而將使輸出數(shù)據(jù)更為精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)輸出軟件,得到遙控?zé)o人機(jī)的飛行軌跡,飛行速度,航向等重要飛行參數(shù)。幫助操控者更直觀的了解無(wú)人機(jī)實(shí)時(shí)的飛行參數(shù)。

        該平臺(tái)分飛行控制操縱部件,數(shù)據(jù)模塊,顯示端這三個(gè)部分。飛行器模塊主要工作任務(wù)是提供飛行器空間定位系統(tǒng)載體;數(shù)據(jù)模塊部分的主要工作任務(wù)分析輸出數(shù)據(jù);顯示操作終端模塊的主要工作任務(wù)是顯示實(shí)時(shí)的飛行參數(shù)。

        就無(wú)人機(jī)硬件部分,該平臺(tái)配置了一套四軸飛行器,其中包括飛行器本身、用于穩(wěn)定攝像機(jī)的云臺(tái)、用于控制飛行器的遙控器、用于顯示實(shí)時(shí)飛行參數(shù)的計(jì)算機(jī)、用于飛行器的航向,高度,速度,等信息的上位機(jī)數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備。

        四旋翼機(jī)的穩(wěn)定性在所有航空器中最高。它可自動(dòng)調(diào)節(jié),使機(jī)身具有良好的俯仰穩(wěn)定性、滾轉(zhuǎn)穩(wěn)定性和速度穩(wěn)定性。由于旋翼視的旋翼安裝角比直升機(jī)的要大些,所以具有更好的陀螺效應(yīng),穩(wěn)定性也大大提高。

        該平臺(tái)的軟件設(shè)計(jì)部分則是借助上位機(jī)數(shù)據(jù)輸出軟件開(kāi)發(fā)出一套能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)無(wú)人機(jī)飛行狀態(tài)及飛行參數(shù)的系統(tǒng)。

        可劃分為飛機(jī)舵面及姿態(tài)信息顯示窗口、無(wú)人機(jī)參數(shù)輸出窗口等兩個(gè)模塊,以下為兩個(gè)模塊的功能說(shuō)明:

        (1)飛機(jī)舵面及姿態(tài)信息顯示窗口(見(jiàn)圖1):主要用來(lái)直觀顯示飛機(jī)各個(gè)飛行參數(shù)包括航向,姿態(tài)。通過(guò)無(wú)人機(jī)遙控器操作的上下或左右移動(dòng)來(lái)控制飛機(jī)進(jìn)行滾轉(zhuǎn),俯仰,偏航等姿態(tài)變化并且可以精確控制飛機(jī)的飛行速度從而操作飛機(jī)進(jìn)行上升或下降等姿態(tài)上的變化。

        圖1 上位機(jī)數(shù)據(jù)輸出軟件

        (2)無(wú)人機(jī)參數(shù)輸出窗口:主要用于輸出無(wú)人機(jī)實(shí)時(shí)的飛行參數(shù)。例如角速度,飛行的角度等。除了主控制系統(tǒng),該平臺(tái)還設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了基于慣導(dǎo)以及GPS飛行定位系統(tǒng)對(duì)無(wú)人機(jī)的飛行姿態(tài),參數(shù)的控制和輸出都是實(shí)時(shí)的,而且在該系統(tǒng)中輸出的數(shù)據(jù)模塊界面直觀易懂,對(duì)于數(shù)據(jù)輸出種類,姿態(tài)的的展示都簡(jiǎn)潔明了。面板上顯示飛機(jī)的平飛、俯仰、轉(zhuǎn)彎等姿態(tài),并且以數(shù)據(jù)的形式直觀地體現(xiàn)給操作者。

        3 結(jié)語(yǔ)

        該平臺(tái)的特點(diǎn)在于集成度高,即:能采用上位機(jī)數(shù)據(jù)輸出系統(tǒng),INS、GPS等來(lái)采集飛行器航行姿態(tài)及軌跡等飛行數(shù)據(jù),并動(dòng)態(tài)跟蹤飛機(jī)位置,高度等一系列飛行參數(shù)。

        此外,該平臺(tái)可拓展性也較強(qiáng),可實(shí)現(xiàn)對(duì)多無(wú)人機(jī)參數(shù)實(shí)時(shí)采集及信息融合修正等數(shù)據(jù)處理的相關(guān)設(shè)計(jì)。

        該平臺(tái)應(yīng)用前景廣泛,可用于航拍,重大活動(dòng)時(shí)的無(wú)人機(jī)飛行操控,利于主辦方,操縱者在布置設(shè)計(jì)方面特供更多的參數(shù)。還可以讓操縱者更快地發(fā)現(xiàn)無(wú)人機(jī)飛行中姿態(tài),航向上的問(wèn)題,從而降低無(wú)人機(jī)飛行活動(dòng)中的錯(cuò)誤率。也可安裝在小型飛機(jī)上,從而在飛行姿態(tài)記錄儀中記錄飛行時(shí)飛機(jī)在各個(gè)時(shí)間點(diǎn)上的姿態(tài)以及各個(gè)舵面的變化情況,實(shí)時(shí)輸出的飛行參數(shù)還可以以用于飛行后的飛行質(zhì)量總結(jié)和飛行事故癥候的評(píng)估。

        此外,也可用于飛行事故后的分析,可通過(guò)數(shù)據(jù)回放的形式來(lái)觀測(cè)飛機(jī)各個(gè)時(shí)段飛機(jī)飛行的姿態(tài),飛行的速度為飛行事故的分析提供更多直觀,簡(jiǎn)潔的數(shù)據(jù)資料。

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