陳程

摘要：針對無人機控制系統(tǒng)受到外界干擾，而導致控制效果差的問題，提出了基于深度學習無人機控制系統(tǒng)設計。根據(jù)系統(tǒng)總體架構(gòu)，以STM32為主控芯片，設計傳感器，通過UART接口與PC端通信。以穩(wěn)壓器最大輸出電流為基礎(chǔ)設計電源模塊，為系統(tǒng)供電。依據(jù)軟件系統(tǒng)架構(gòu)，設計具體控制方案，避免受到外界干擾，對促進無人機廣泛應用具有重要意義。

關(guān)鍵詞：深度學習;無人機;飛行;控制

中圖分類號：TP311 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2020）15-0200-02

無人機是一種帶有動力裝置、能夠自主飛行的無人駕駛飛行器，可以執(zhí)行多種任務和多次使用的，其用途廣泛、成本低、使用方便，在社會各應用領(lǐng)域得到了廣泛的應用，如用于軍事偵察、監(jiān)視、反恐行動等，還可用于民用航空攝影、交通巡邏和對復雜危險區(qū)域的檢查以及救災等。由于無人機無須人員駕駛，不會存在人員傷亡風險，且機動性能好，能夠執(zhí)行人類無法到達的地方或某些危險區(qū)域的任務，應用前景非常廣闊。當無人機在飛行過程中，由于無人直接操縱，需要自動調(diào)節(jié)其姿態(tài)、飛行速度和運行軌跡，甚至需要根據(jù)飛行任務的要求，自主進行飛行計劃和軌跡規(guī)劃嘲。因此無人機飛行控制系統(tǒng)極其重要，為實現(xiàn)無人機的自主飛行，得到所需控制的方向和距離，有效避開障礙，保證良好的控制效果，設計了一種基于深度學習無人機的控制系統(tǒng)。

1無人機系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設計

在無人機系統(tǒng)總體設計前首先要構(gòu)建無人機飛行平臺，用于進行系統(tǒng)研究和飛行試驗，負責控制整個無人機系統(tǒng)。無人機飛行平臺是無人機飛行的基礎(chǔ)，也是其他飛行器的載體，要求重量輕，剛度大，強度高，應選擇STM32作為主芯片，框架制作采用玻璃鋼材料，電源模塊負責為飛機控制系統(tǒng)、驅(qū)動系統(tǒng)和電機動力提供電源。

系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設計如圖1所示。

系統(tǒng)采用STM32單片機作為主控芯片，主控核心是采集PPM信號并在遠程控制上解碼，從而達到預期的目標姿態(tài)。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設計包括：航向基準系統(tǒng)、飛行控制系統(tǒng)、電源系統(tǒng)、驅(qū)動電路等部分;下半部分包括地面站系統(tǒng)、遠動控制操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)鏈通信系統(tǒng)、未來將開發(fā)地面站系統(tǒng);遙控操作系統(tǒng)采用7通道模式遙控器，數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)采用無線通信模塊的設計方法。

1.1傳感器

為提高飛行器飛行控制的可靠性，需要將飛行器的俯仰角和橫搖角作為穩(wěn)定回路的反饋信號引入到控制回路中，同時為提高系統(tǒng)的實時性，還需要通過角速率反饋增加阻尼。飛行器的飛行姿態(tài)是通過慣性測量裝置得到的，該裝置主要由三個陀螺儀、三軸加速度傳感器和全向磁場傳感器組成，通過GPS接收器和最大精度為15 cm的靜壓高度計獲取飛機的位置信息。該飛行控制系統(tǒng)結(jié)合了上述傳感器，構(gòu)成了一個時態(tài)姿態(tài)參考系統(tǒng)，能夠精準獲取無人機自主飛行時所需的位置、姿態(tài)和飛行速度等相關(guān)信息。

盡管GPS廣泛應用于導航、定位、測速等各個領(lǐng)域，但GPS信號經(jīng)常受到地形和地物的影響，導致信號精度下降，影響正常使用。對于高層建筑林立的城市或植被茂密的山區(qū)，信號效果只有60%，而GPS還不能在靜態(tài)條件下提供精確的高度信息，所以本文選用精度15 cm的MS5540C靜壓高度計來彌補GPS高程定位的不足。數(shù)字大氣壓力傳感器MS5540C具有溫度補償校正功能，同時還具有體積小、重量輕、輸出數(shù)據(jù)穩(wěn)定、功耗低、響應快等優(yōu)點。該控制器的接口電路比較簡單，連接系統(tǒng)時鐘至外設32.768 KHz，利用UART接口與飛行控制計算機進行實時通信。

1.2執(zhí)行機構(gòu)驅(qū)動模塊

無刷型直流電機具有周期長、效率高等特點，它與無刷電機共同應用于執(zhí)行機構(gòu)的控制系統(tǒng)中。引擎是飛機姿態(tài)控制的重要動力來源，無刷式直流電機的工作原理是通過氣動使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速變化來改變飛行姿態(tài)。以PWM波形為控制信號對無刷直流電機進行控制，由DSP發(fā)出的PWM信號具有不同的占空比，根據(jù)這些信號，電機也會產(chǎn)生不同的速度，從而造成不同的飛行姿態(tài)，滿足飛行需求。

1.3電源模塊

動態(tài)對整個系統(tǒng)至關(guān)重要，為確保系統(tǒng)的正常供電，首先要對系統(tǒng)的功率需求進行分析，然后根據(jù)最大輸入電流等參數(shù)，選擇合適的調(diào)功器進行電路設計。選壓指標：輸入5 v，輸出3.3 v，最大輸出電流300毫安以上。最后選定的調(diào)壓器最大輸出電流為500毫安。

系統(tǒng)供電方案如圖2所示。

系統(tǒng)供電方案設計中是通過發(fā)電機組將機械能轉(zhuǎn)化為電能、干電池將化學能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿姆椒?，由于發(fā)電機組和電池不充電，而這兩個極子分別帶正、負電荷，因此只需加個電壓來使它們產(chǎn)生電壓。當電池組的兩極與導體相連時，正電荷和負電荷通過放電產(chǎn)生電流，充完電后，電流（壓力）就沒有了。干電池就是所謂的電源，把交流電源通過變壓器和整流器轉(zhuǎn)換為直流電源的裝置叫作整流電源，能夠發(fā)出信號的電子裝置叫作信號源，三極管能對前面發(fā)出的信號進行放大，然后將放大后的信號傳送到后面的電路中給系統(tǒng)供電。

2軟件功能設計

在主控軟件設計中，采用GPS數(shù)據(jù)讀取、遙控數(shù)據(jù)接收、主回路控制頻率等，提高了軟件系統(tǒng)功能，像高度計這樣的部件就減少了CPU的工作負荷，無須CPU干預就能實現(xiàn)地面數(shù)據(jù)的輸出和采集。

根據(jù)深度學習的原理對無人機控制系統(tǒng)軟件進行局部設計，深層次的學習需要分析的原理是：將圖像劃分成2000-3000年的候選區(qū)域，CNN提取每個區(qū)域的特征，然后通過支持向量機訓練分類器對這些特征進行分類和排序，并根據(jù)意識到的邊界框回歸算法對最終目標框進行遷移。在克服了傳統(tǒng)方法的缺點之后，CNN仍沒有很好的運行效率，因為每個候選區(qū)的整個網(wǎng)絡需要重新計算。利益區(qū)域策略把候選區(qū)域映射到CNN模型特征層。針對R-CNN提取卷積特征的冗余操作，如果不想重復地輸入來自不同區(qū)域的圖像，則需要直接匹配所有提取的相應區(qū)域的深度特征。

在整個無人機系統(tǒng)中，軟件系統(tǒng)也是其重要組成部分，各種任務調(diào)度和復雜算法的實現(xiàn)都需要軟件系統(tǒng)的支持。若以硬件系統(tǒng)為主體，則以軟件系統(tǒng)為靈魂，構(gòu)成了整個無人機系統(tǒng)。該軟件系統(tǒng)主要由底層硬件驅(qū)動程序、硬件抽象層程序、板級支持程序和應用程序三部分組成，還包括層與子系統(tǒng)的接口、協(xié)議定義和格式等，設計的功能軟件具有良好的通用性、可移植性和可讀性。

軟件系統(tǒng)架構(gòu)如圖3所示。

無人機執(zhí)行指令的過程就是對飛行姿態(tài)的有效控制，主要包括俯仰、橫搖和傾斜的飛行姿態(tài)。不同的任務可以在執(zhí)行命令時同時實現(xiàn)不同的姿態(tài)，如能進行上述檢測，則整個系統(tǒng)進入另一種狀態(tài)，也就是等待指令的狀態(tài)。相反，如果無人機沒有接收到任何與上述指令相關(guān)的指令，那么軟件將分析并計算相應指令來準備下一條新的指令。

3結(jié)束語

隨著無人機技術(shù)和產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，在軍事、民用、工業(yè)、農(nóng)業(yè)和服務行業(yè)等各領(lǐng)域得到了廣泛的應用，無人機受到了國內(nèi)外的高度重視?？萍既藛T通過對無人機控制系統(tǒng)的設計問題進行了深入的研究與分析，并結(jié)合無人機的非線性、強耦合、欠驅(qū)動等特點，設計了一套基于深度學習技術(shù)的智能無人機控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了智能程度高、適應惡劣環(huán)境能力強、任務完成效率高的優(yōu)點。由于無人機無人駕駛系統(tǒng)較為復雜，涉及綜合理論、建模和控制技術(shù)等各個方面，目前在無人機系統(tǒng)設計方面還處于初步探索階段，難免會存在許多問題。因此，在未來系統(tǒng)設計中應不斷加強研究創(chuàng)新工作，以提高無人機的應用水平，其中主要包括以下幾個方面：

（1）在系統(tǒng)建模和實際測試中發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)存在辨識問題，當四臺電機驅(qū)動時與響應上存在不一致性，輸出指令的響應與實際有一定的差異，應進行補充與改進。

（2）智能無人機離不開一個地面站，因此必須加強對地面站的設計和發(fā)展。