溫忠亮

（哈工大機器人（岳陽）軍民融合研究院，湖南 岳陽414000）

智能化機器人代替人工完成耗費人力的工作正成為各行業(yè)發(fā)展所關(guān)注的焦點，電路巡檢、森林防火等領(lǐng)域的無人機應(yīng)用便屬于其中代表。為保證無人機更好服務(wù)于我國各行業(yè)發(fā)展，正是本文圍繞傳感器在無人機飛行控制系統(tǒng)中應(yīng)用開展具體研究的原因所在。

1 無人機飛行控制系統(tǒng)中傳感器的基本應(yīng)用

1.1 應(yīng)用思路

傳感器廣泛應(yīng)用于多個領(lǐng)域，主要由轉(zhuǎn)換元件及敏感元件組成，傳感器可按照一定規(guī)律轉(zhuǎn)換獲得的信息為可用信號，并以此為相關(guān)領(lǐng)域提供數(shù)據(jù)信息支持。在無人機飛行控制系統(tǒng)中，傳感器的應(yīng)用可較好服務(wù)于系統(tǒng)的完善和改進，而結(jié)合無人機飛行控制系統(tǒng)的實際需要，可通過多種傳感器的合理應(yīng)用，整合分析多種傳感器收集的任務(wù)信息，以此構(gòu)建傳感器網(wǎng)絡(luò)，最大化的傳感器作用發(fā)揮可由此實現(xiàn)。在傳感器支持下，無人機飛行控制系統(tǒng)可充分發(fā)揮傳感器參數(shù)可調(diào)性優(yōu)勢，不同種類無人機飛行控制系統(tǒng)的需要也能夠得到滿足，相關(guān)任務(wù)的順利完成自然能夠獲得有力支持。在無人機飛行控制系統(tǒng)的傳感器具體應(yīng)用中，必須充分了解傳感器的優(yōu)勢，并結(jié)合系統(tǒng)的功能要求和實際運行需求，這樣才能夠更高水平的應(yīng)用傳感器[1]。

1.2 基本應(yīng)用

1.2.1 合理設(shè)計傳感器參數(shù)。無人機飛行控制系統(tǒng)中的傳感器應(yīng)用極為廣泛，系統(tǒng)的運行效率提升可得到傳感器的大力支持，而為了較好滿足系統(tǒng)實際運行需要，最大化傳感器作用發(fā)揮，傳感器參數(shù)的合理設(shè)計必須得到重視。在傳感器參數(shù)設(shè)計過程中，可將其參數(shù)細分為靜態(tài)參數(shù)和動態(tài)參數(shù)，如動態(tài)參數(shù)設(shè)計需以階躍響應(yīng)、頻率響應(yīng)為依據(jù)，傳感器的分辨率參數(shù)也需要得到合理控制，傳感器運行的穩(wěn)定性可由此得到保障。而在靜態(tài)參數(shù)的設(shè)計中，重復(fù)性、線性度、靈敏度等參數(shù)的設(shè)計不容忽視，具體設(shè)計需結(jié)合無人機飛行控制要求[2]。

1.2.2 機載傳感器網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化。在無人機飛行控制系統(tǒng)中，傳感器的應(yīng)用還需要關(guān)注應(yīng)用環(huán)節(jié)的嚴格控制，以此通過持續(xù)性的改進和優(yōu)化，提高系統(tǒng)運行的可靠性和安全性。作為無人機飛行控制系統(tǒng)的重要組成部分，傳感器網(wǎng)絡(luò)搭載有各類傳感器，因此可以將其視作不同類型傳感器的總稱。在無人機獲取相關(guān)數(shù)據(jù)和信息時，一般需要返回基底查看相關(guān)資料和信息，這一過程中的信息及數(shù)據(jù)安全性必須得到重視?；诟黝悅鞲衅鳂?gòu)建傳感器網(wǎng)絡(luò)，實時的信息數(shù)據(jù)傳輸、獲取即可順利實現(xiàn)，信息數(shù)據(jù)信息也能夠更為快速的向監(jiān)測中心傳輸，數(shù)據(jù)信息傳輸效率及安全性均可大幅提升。因此，本文認為無人機飛行控制系統(tǒng)中的機載傳感器網(wǎng)絡(luò)屬于核心層，為最大化傳感器網(wǎng)絡(luò)作用發(fā)揮，持續(xù)性的優(yōu)化和改進必須得到重視，如優(yōu)化系統(tǒng)整體布局、調(diào)整線路方式，系統(tǒng)整體運行效率可由此實現(xiàn)長足提升。

1.2.3 應(yīng)用精確導(dǎo)航控制技術(shù)。作為傳感器衍生的技術(shù)，精確導(dǎo)航控制技術(shù)同樣可較好服務(wù)于無人機飛行控制系統(tǒng)升級和改造，通過融合多個傳感器的信息，精確導(dǎo)航控制技術(shù)可實現(xiàn)精準導(dǎo)航?，F(xiàn)階段無人機在我國多個領(lǐng)域有著較為深入的影響，無人機所需要完成的工作量也在不斷提升，為保證無人機能夠?qū)崿F(xiàn)相關(guān)任務(wù)的快速準確完成，必須設(shè)法改進和完善其精準導(dǎo)航系統(tǒng)，配合不同特性的平臺和傳感器，即可為無人機執(zhí)行任務(wù)提供輔助，這一過程中多個傳感器信息的融合發(fā)揮著極為關(guān)鍵的作用。在基于精確導(dǎo)航控制技術(shù)的無人機飛行控制系統(tǒng)優(yōu)化中，傳感器作用的充分發(fā)揮屬于其中關(guān)鍵，系統(tǒng)需同時具備有效融合導(dǎo)航信息的能力，并以此實現(xiàn)精準位置、速度等導(dǎo)航信息的提供，配合較強的信息接收和處理能力，無人機即可更好在飛行過程中完成各類信息的收集和處理，傳感器的作用也能夠更好發(fā)揮[3]。

2 實例分析

2.1 系統(tǒng)總體設(shè)計

為提升研究的實踐價值，以一種基于STM32F103 單片機平臺與多傳感器的無人機自動控制系統(tǒng)作為研究對象，無人機工作的流暢性可通過較高的運算速度得到保障，系統(tǒng)不僅能夠保證無人機安全飛行，且在初次起飛指令后會，無人機會預(yù)留一段安全時間，意外事件的發(fā)生幾率可得到有效控制。無人機飛行控制系統(tǒng)采用Pixhawk，系統(tǒng)控制板為STM32F103，由此即可實現(xiàn)遙控器信號的模擬，在控制成本的前提下實現(xiàn)飛控指令的下達，脫離遙控器獨立工作的無人機可由此實現(xiàn)，傳感器布置于采集板，以此構(gòu)建傳感器組，結(jié)合飛控傳感器，即可將向控制板共同反饋采集到的數(shù)據(jù)，控制板由此即可向飛控板發(fā)出指令，這一過程需模擬遙控器，全稱的無人機自動控制可由此實現(xiàn)。整個系統(tǒng)由采集層、控制層、無人機控制層三個層級組成。

2.2 硬件設(shè)計

系統(tǒng)采用的飛控板屬于具備高性能且較為普及的自動駕駛儀，即Pixhawk，可較好服務(wù)于固定翼無人機、多旋翼無人機等平臺，APM 為其前身，不同于APM 無法滿足復(fù)雜的運算需求，Pixhawk 在繼承多線程編程環(huán)境的同時，還能夠通過PX4 底層驅(qū)動，為全周期處理提供保障，新的預(yù)設(shè)飛行模式及自動駕駛儀功能均可由此實現(xiàn)，系統(tǒng)可由此較好滿足無人機高自由度飛行需要；系統(tǒng)對無人機運行狀態(tài)的檢測通過控制板實現(xiàn)，傳感器的反饋可由此接收，遙控器的模擬及相關(guān)指令的發(fā)出也能夠由此實現(xiàn)，無人機運用的控制可基于飛控板實現(xiàn)，基于STM32 實現(xiàn)遙控器起飛、著陸、懸停等各種指令信號的模擬屬于其中關(guān)鍵，無人機字啊無指令控制時會安全著落，機體安全保障需要可由此得到滿足。在完成構(gòu)筑控制板基礎(chǔ)功能后，更多傳感器的添加可順利實現(xiàn)，系統(tǒng)可支持多樣化的無人機功能，更加復(fù)雜的任務(wù)執(zhí)行也能夠由此獲得支持。由于系統(tǒng)用單片機預(yù)留的接口較多，因此其拓展性天然較高，可實現(xiàn)更為豐富的模塊搭載；在多傳感器模塊的設(shè)計中，該模塊主要負責(zé)服務(wù)于無人機在合適高度的作業(yè)實現(xiàn)，屬于無人機自主工作的基礎(chǔ)，模塊流程可概括為：“開始→超聲波發(fā)生聲波→定時器計時→接收到聲波→定時器停止計時并計算距離→0.5～1.5m？→是→發(fā)出光信號→結(jié)束”。采用bmp085 氣壓傳感器作為定高模塊硬件，由此實時海拔高度的轉(zhuǎn)換可基于測量獲得的大氣壓實現(xiàn)，無人機距離地面的高度可通過計算確定，無人機實時高度的測量采用HC-SR04 超聲波傳感器，兩種傳感器可通過配合較好服務(wù)于更加精準的無人機控制。

2.3 軟件設(shè)計

為保證傳感器更好服務(wù)于無人機飛行控制器，本文研究的無人機自動控制系統(tǒng)在軟件設(shè)計中同樣投入了大量精力。在控制板操作模塊設(shè)計中，控制板基于模擬遙控器信號的方式實現(xiàn)控制，無人機的工作流程開始需通過操控者的按鍵控制，收到信號后的無人機會進入啟動流程，無人機自檢并解鎖啟動會在3s 安全時間后開始，由此操作人員的撤離可得到保障；而在無人機基本姿態(tài)控制的設(shè)計中，設(shè)計需圍繞自動啟動、自動降落展開，自動啟動可實現(xiàn)無人機的遠程解鎖與控制，自動降落可實現(xiàn)無人機的自動著陸并鎖定，這一系列功能的實現(xiàn)均離不開傳感器的支持。

2.4 實驗分析

為證明無人機飛行控制系統(tǒng)實用性，需開展針對性實驗，考慮到該系統(tǒng)主要用于室內(nèi)小型無人機，因此實驗于4m×4m×2m的室內(nèi)實驗場地開展，以此判斷系統(tǒng)的穩(wěn)定性和易用性。結(jié)合實驗結(jié)果可以確定，無人機在完成既定任務(wù)過程中，系統(tǒng)可實現(xiàn)對其的全程穩(wěn)定控制，具備成本低、易用性強等優(yōu)勢，相較于人工操作，無人機飛行控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性更高，且能夠有效實現(xiàn)人力成本的節(jié)約，但該系統(tǒng)進能夠用于室內(nèi)應(yīng)用，無法滿足室外環(huán)境控制需要，這一不足的改進必須得到重視。

綜上所述，傳感器在無人機飛行控制系統(tǒng)中的應(yīng)用需關(guān)注多方面因素影響。在此基礎(chǔ)上，本文涉及的機載傳感器網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化、應(yīng)用精確導(dǎo)航控制技術(shù)、硬件設(shè)計等內(nèi)容，則提供了可行性較高的傳感器應(yīng)用路徑。為更好服務(wù)于無人機飛行控制，MEMS 傳感器的合理應(yīng)用必須得到重點關(guān)注。