張玲 熊智 康駿 李婉玲 李欣童 曹志國

[摘 要] 為了貫徹創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)發(fā)展戰(zhàn)略，國家發(fā)布了《中國制造2025》戰(zhàn)略計(jì)劃。教育部為了儲(chǔ)備相應(yīng)人才，于2017年推出了新工科建設(shè)計(jì)劃，目的是探索符合中國國情的工程教育模式。為推動(dòng)航空科技創(chuàng)新，普及航空知識(shí)，提高國民航空意識(shí)，營造航空文化氛圍，中國航空工業(yè)集團(tuán)公司與中國航空學(xué)會(huì)已連續(xù)六年舉辦“中航工業(yè)杯”國際無人飛行器創(chuàng)新大獎(jiǎng)賽。作為其中一個(gè)重要項(xiàng)目的“旋翼類競技”旨在促進(jìn)無人直升機(jī)創(chuàng)新。因此，以旋翼無人機(jī)為對象，開展集慣性導(dǎo)航、GPS導(dǎo)航、視覺導(dǎo)航、氣壓計(jì)、磁傳感器、激光雷達(dá)等各種機(jī)載導(dǎo)航傳感器于一體的智能感知導(dǎo)航實(shí)驗(yàn)平臺(tái)開發(fā)研究，具有極其重要的現(xiàn)實(shí)意義。

[關(guān)鍵詞] 旋翼無人機(jī);智能感知;實(shí)驗(yàn)平臺(tái)開發(fā)

[中圖分類號(hào)] TP391.9? ? [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A? ? [文章編號(hào)] 1674-9324（2020）41-0385-02? ? [收稿日期] 2020-04-02

南京航空航天大學(xué)自動(dòng)化專業(yè)作為卓越工程師培養(yǎng)的重點(diǎn)專業(yè)，在培養(yǎng)目標(biāo)中強(qiáng)調(diào)，要掌握自動(dòng)化工程領(lǐng)域系統(tǒng)設(shè)計(jì)、實(shí)施、運(yùn)行和維護(hù)的基本內(nèi)容和程序，具有應(yīng)用適當(dāng)?shù)睦碚摵蛯?shí)踐方法解決工程實(shí)際問題的能力。具體到教學(xué)內(nèi)容上，就是強(qiáng)化專業(yè)課程實(shí)驗(yàn)、課程設(shè)計(jì)、綜合設(shè)計(jì)等動(dòng)手類課程的教學(xué)要求，培養(yǎng)和鍛煉學(xué)生對知識(shí)的應(yīng)用與拓展、對方法的驗(yàn)證和創(chuàng)新等方面的能力，實(shí)現(xiàn)理論與實(shí)踐、課堂與課外、精深與綜合在教學(xué)環(huán)節(jié)中的平衡化。

針對自動(dòng)化專業(yè)導(dǎo)航方向的學(xué)科研究背景，開展基于旋翼無人機(jī)的智能感知實(shí)驗(yàn)平臺(tái)開發(fā)，可以為定位與導(dǎo)航、測試信號(hào)處理等專業(yè)基礎(chǔ)課程提供更契合專業(yè)方向的綜合實(shí)驗(yàn)環(huán)境，也為大學(xué)生創(chuàng)新競賽等實(shí)踐創(chuàng)新類競賽活動(dòng)提供良好的平臺(tái)，引導(dǎo)學(xué)生積極主動(dòng)的思考與創(chuàng)新，最終培養(yǎng)具有航空航天和國防特色的專業(yè)人才。

一、自主飛行控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

傳感器系統(tǒng)主要包括加速度計(jì)、陀螺儀、常規(guī)GNSS、D-RTK GNSS和攝像機(jī)。攝像機(jī)部分在任務(wù)設(shè)備部分闡述。加速度計(jì)、陀螺儀和常規(guī)GNSS共有三套，實(shí)現(xiàn)冗余配置。D-RTK GNSS是高精度導(dǎo)航定位系統(tǒng)，通過實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)差分技術(shù)將三維定位精度由米級提升至厘米級，集成定位、定高和測向功能，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)GPS、氣壓計(jì)和磁羅盤的不足，為高精度應(yīng)用需求提供精準(zhǔn)、可靠的系統(tǒng)解決方案。

飛控計(jì)算機(jī)分為上下兩層。下層為主控器，綜合利用IMU、氣壓計(jì)、D-RTK GNSS、磁羅盤等傳感器輸出信息實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的飛行器姿態(tài)控制;上層使用妙算處理板，其使用的NVIDIA Tegra K1處理器，最高主頻達(dá)2.2GHz，GPU核心具有強(qiáng)大的圖像處理能力，還能高效地處理并行任務(wù)，使用此處理板完成導(dǎo)航信息的處理、任務(wù)規(guī)劃、路徑規(guī)劃等，最終通過串口向主控器發(fā)送飛行指令，完成指定飛行動(dòng)作。

二、自主飛行控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

飛行控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用經(jīng)典控制方法，把控制通道劃分成內(nèi)環(huán)和外環(huán)二部分，外回路以軌跡控制為主，內(nèi)回路以姿態(tài)控制為主，對航向、俯仰、滾轉(zhuǎn)三個(gè)姿態(tài)通道分別進(jìn)行控制。在真實(shí)的飛行器控制器設(shè)計(jì)中，運(yùn)用最多的還是先內(nèi)環(huán)后外環(huán)的設(shè)計(jì)方法。雖然這種方法得不到最優(yōu)控制律，也更加依賴設(shè)計(jì)者的經(jīng)驗(yàn)，但是這種方法更加成熟，設(shè)計(jì)的控制器結(jié)構(gòu)層次清晰，調(diào)試方便，其控制系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

三、實(shí)驗(yàn)分析

精確引導(dǎo)過程中有對動(dòng)態(tài)性能及穩(wěn)定性的要求，需要飛行器飛到指定位置所需時(shí)間短，調(diào)節(jié)時(shí)間短，超調(diào)不可過大，穩(wěn)態(tài)誤差小，所以采用分段PID設(shè)計(jì)控制器。在飛行器距離目標(biāo)點(diǎn)較遠(yuǎn)時(shí)，采用高動(dòng)態(tài)，大速度的控制參數(shù)以縮短飛行時(shí)間;在距離目標(biāo)點(diǎn)1米以內(nèi)的位置采用低動(dòng)態(tài)，大制動(dòng)的控制參數(shù)以控制飛行器的速度;在距離目標(biāo)點(diǎn)0.5米以內(nèi)的位置時(shí)，主要調(diào)節(jié)穩(wěn)態(tài)誤差。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。

四、結(jié)語

本文開發(fā)了一套基于旋翼無人機(jī)的智能感知導(dǎo)航實(shí)驗(yàn)教學(xué)開發(fā)平臺(tái)，設(shè)計(jì)了飛行控制硬件系統(tǒng)，并開發(fā)了相應(yīng)的軟件平臺(tái)。通過實(shí)驗(yàn)分析，得到了旋翼無人機(jī)自主飛行任務(wù)下的位置變化圖形，驗(yàn)證了本文開發(fā)的基于旋翼無人機(jī)導(dǎo)航實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的有效性，也為本科實(shí)踐課程的教學(xué)提供了良好的理論與實(shí)踐基礎(chǔ)平臺(tái)。

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