1Introduzione
Nella fase iniziale dello sviluppo degli UAV, la R&S si è concentrata principalmente sulla struttura aerodinamica e sulle prestazioni meccaniche, perseguendo capacità di volo stabili, veloci e ad alta quota.Con la rapida iterazione dei chip, l'intelligenza artificiale e le tecnologie big data, gli UAV si sono evoluti verso l'intelligenza, la terminalizzazione e l'operazione cluster.L'intervento dell'informazione elettronica e della tecnologia microelettronica ha notevolmente ridotto la soglia di applicazione degli UAV, consentendo ai consumatori civili di ottenere un volo stabile con un semplice funzionamento.
Senza dubbio, il rapido aggiornamento della tecnologia di controllo del volo è la forza trainante principale per la diffusione completa e il salto delle prestazioni degli UAV nell'ultimo decennio.
2Cos'è un sistema di controllo di volo?
Il sistema di controllo di volo (FCS) è considerato il sistema di controllo di volo più efficace.cervello degli UAVEsso svolge funzioni fondamentali, tra cui la percezione in tempo reale dell'atteggiamento dell'aeromobile, il calcolo dei dati, il giudizio logico e l'uscita di istruzioni.
Il volo, il galleggiamento, la trasformazione dell'atteggiamento e l'adeguamento della traiettoria degli UAV multi-rotore seguono tutti una logica unificata:vari sensori raccolgono dati in tempo reale sull'atteggiamento e sulla posizione e li trasmettono al controllore di voloDopo l'operazione e l'analisi ad alta frequenza, il controllore di volo emette comandi di controllo all'attuatore, in modo da regolare la velocità del motore e completare il controllo di volo stabile.
Simile al cervello umano, il controllore di volo forma un circuito di controllo a circuito chiuso di "percezione-calcolo-esecuzione-feedback",che è il sistema hardware e software più fondamentale per garantire un volo stabile e sicuro degli UAV.
3Principio di volo e logica di controllo degli UAV quadrotore
3.1 Composizione strutturale generale
Un UAV quadrotore standard è costituito da quattro moduli principali: modulo di rilevamento, modulo di controllo, modulo di esecuzione e modulo di alimentazione.La fusoliera adotta una struttura rigida e leggera in fibra di carbonio ad alta resistenza.Quattro motori rotori sono installati alle quattro estremità della fusoliera, fornendo tutta la potenza di volo per l'UAV.
L'atteggiamento di volo e la posizione del quadrotore sono completamente controllati regolando la velocità dei quattro rotori.i rotori anteriori e posteriori ruotano nel senso orario, mentre i rotori sinistro e destro ruotano in senso antiorario, realizzando la reciproca cancellazione della coppia in stato di oscillazione.
Il quadrotor UAV è un tipicosistema non lineare a congiunzione stretta, con sottoattivazionecon una potenza di movimento di 6 gradi di libertà controllata da 4 gruppi di velocità del rotore, c'è una forte relazione di accoppiamento tra movimento di posizione e movimento di traslazione,che pone elevati requisiti per le prestazioni e l'accuratezza in tempo reale degli algoritmi di controllo del volo.
3.2 Cinque Stati di volo di base
Arrivederci: I quattro rotori funzionano alla stessa velocità, la sollecitazione totale è in equilibrio con la gravità dell'UAV, e la coppia complessiva è pari a zero, realizzando un'oscillazione statica stabile nell'aria.
Movimento verticaleAumentare o diminuire la velocità dei quattro rotori in modo sincrono: una maggiore sollecitazione totale permette l'ascesa verticale, mentre una riduzione della sollecitazione totale provoca la discesa verticale.
Movimento di rotolamento: mantenere la velocità dei rotori anteriori e posteriori invariata, regolare la velocità dei rotori sinistri e destri per formare una differenza di sollevamento, generare coppia laterale,e realizzare l' inclinazione sinistra e destra e la traslazione della fusoliera.
Mozione del passo: mantenere la velocità dei rotori sinistro e destro invariata, regolare la velocità dei rotori anteriori e posteriori per formare una differenza di sollevamento anteriore-posteriore e realizzare l'inclinazione e il volo della fusoliera avanti e indietro.
Mozione Yaw: regolare la differenza di velocità tra i gruppi di rotori in senso orario e in senso antiorario per rompere l'equilibrio della coppia, generare coppia di rotazione attorno all'asse centrale della fusoliera,e realizzare la rotazione di deflessione sinistra e destra.
3.3 Volo autonomo e logica di controllo stabile
L'accuratezza della traiettoria è la condizione fondamentale per il volo autonomo degli UAV, influenzati da forti dinamiche di accoppiamento, errori di parametro del modello e interferenze esterne del campo del vento.Il controllo dell' atteggiamento stabile è la premessa principale di un controllo accurato della traiettoria..
Il sistema di controllo del volo adotta unquadro di controllo a doppio ciclo annidato: il circuito interno realizza un controllo stabile ad alta frequenza di tre angoli di atteggiamento (roll, pitch, yaw), e il circuito esterno completa la traiettoria a bassa frequenza e il monitoraggio della posizione.Il circuito interno a risposta rapida sopprime le interferenze esterne e l' agitazione di atteggiamento, mentre il circuito esterno consente una precisa navigazione di lunga distanza.
Per far fronte alle complesse interferenze ambientali e al rumore dei sensori, il sistema di controllo del volo è dotato di osservatori di disturbi e di algoritmi di compensazione adattivi per migliorare la robustezza del sistema,garantire un monitoraggio continuo e stabile dell'atteggiamento e l'esecuzione della traiettoria in scenari complessi.
4. Componenti fondamentali e funzioni dei sensori del sistema di controllo di volo
4.1 Unità di misurazione inerziale IMU (percezione dell'atteggiamento centrale)
L'IMU è l'unità di rilevamento più fondamentale del sistema di controllo del volo, composta da un giroscopio a 3 assi, un accelerometro a 3 assi, un sensore geomagnetico a 3 assi e un barometro,responsabile della percezione dello stato di movimento a dimensioni piene.
Giroscopio a 3 assiSulla base dell'effetto giroscopico, misura la velocità angolare dell'UAV sugli assi X, Y e Z in tempo reale, cattura le tendenze di cambiamento di atteggiamento,e fornisce dati fondamentali per la correzione della stabilità dell' atteggiamento.
Accelerometro a 3 assi: percepisce l'accelerazione lineare dei tre assi della fusoliera, giudica lo stato di movimento come accelerazione, decelerazione e stato statico e aiuta a risolvere l'angolo di inclinazione dell'atteggiamento.
Sensore geomagnetico: Equivalente a una bussola elettronica, calibra l'angolo di marcia dell'UAV per risolvere il problema della deriva dei sensori inerziali.
Barometro: Misura le variazioni di pressione atmosferica per realizzare un posizionamento dell'altitudine relativa ad alta precisione e un volo a quota fissa, compensando la bassa precisione della misurazione dell'altitudine GPS.
L'IMU forma un circuito di controllo a circuito chiuso ad alta frequenza di 10 Hz con il controllore di volo;che compensa dinamicamente lo spostamento di posizione in tempo reale per prevenire il rovesciamento e l'incidente causati da squilibrio di posizione.
4.2 Sensore di velocità
Il sensore di velocità calcola la velocità in tempo reale rilevando la differenza di pressione tra la pressione atmosferica statica e la pressione del vento in arrivo.riflette la velocità relativa di movimento tra l'UAV e l'aria, che sono i dati chiave per giudicare la portata di decollo e il volo stabile, evitando efficacemente il fallimento del volo causato da interferenze del vento contrario o del vento posteriore.
4.3 GPS/modulo di posizionamento Beidou
Sulla base del principio di posizionamento trilaterale satellitare, il GPS/Beidou ottiene informazioni sulla longitudine assoluta, latitudine, velocità di terra e altitudine dell'UAV.Il sistema di posizionamento aperto e maturo può raggiungere una precisione di posizionamento a livello di metro o addirittura a livello di sotto-metro in ambienti aperti, che fornisce un riferimento di posizione assoluta per la pianificazione delle rotte, il volo a vuoto a punto fisso e il volo di ritorno a casa.
Il GPS è suscettibile di occlusione da edifici, alberi e gallerie, con conseguente perdita di segnale e deriva, che è una delle principali cause di UAV che volano via e si schiantano in scenari complessi.
4.4 Stazione di terra e radio di trasmissione dati
La stazione di terra è il terminale di interazione uomo-computer e di programmazione dei comandi del sistema UAV.distribuzione delle attività e monitoraggio dello stato del volo in tempo reale mediante software di supporto.
La radio di trasmissione dei dati è il ponte di comunicazione tra la stazione di terra e l'UAV.si caratterizza per una forte penetrazione e una lunga distanza di trasmissioneEsso consente la trasmissione bidirezionale dei comandi di terra e dei dati di volo degli UAV (altitudine, velocità, atteggiamento, tensione), supportando la modifica in tempo reale del percorso e il controllo di emergenza durante il volo.
5Funzioni fondamentali del moderno sistema intelligente di controllo dei voli
5.1 Percezione accurata a pieno regime
Il sistema di controllo del volo è in grado di monitorare in tempo reale 15 quantità di stato di volo di base, tra cui la posizione 3D, la velocità 3D, l'accelerazione 3D, l'angolo a 3 assi e la velocità angolare a 3 assi.Attraverso la fusione di dati multi-sensore, elimina gli errori di singoli sensori come IMU, GPS e barometro e fornisce dati di stato di volo di alta affidabilità.
5.2 Navigazione integrata multi-sensore
I moderni sistemi di controllo di volo di fascia alta ampliano i sensori visivi e i sensori ad ultrasuoni sulla base della tradizionale navigazione inerziale e della navigazione satellitare.misurazione della velocità e evitazione degli ostacoliL'IMU ridondante e il sistema geomagnetico cambiano automaticamente i canali di lavoro in caso di guasto del sensore,migliorare notevolmente l'affidabilità del voloSi realizza l'interscambio senza soluzione di continuità di volo stabile in scene aperte GPS-forte e scene interne e protette GPS-perdute.
5.3 Controllo di volo di elevata robustezza
Con algoritmi di controllo ottimizzati, il sistema di controllo del volo ha capacità di controllo di alta precisione per il volo in volo, a bassa velocità e a alta velocità.ha una forte resistenza alle interferenze e ai guastiPuò recuperare rapidamente l'atteggiamento stabile in scenari estremi come danni all'elica, impatti esterni e improvvisi cambi di carico, migliorando efficacemente la sicurezza del volo.
5.4 Diagnostica intelligente dei difetti e allarme precoce
Il sistema di controllo del volo monitora in tempo reale parametri quali tensione, corrente, temperatura, velocità del motore e vibrazioni.realizza diagnosi intelligente di potenziali guasti come la deriva IMUIl sistema di protezione è dotato di una funzione di allarme precoce e di protezione dell'atteggiamento di emergenza, riducendo notevolmente la probabilità di incidenti di volo.
6. Riassunto
Il sistema di controllo del volo degli UAV si basa sul lavoro collaborativo di IMU, posizionamento satellitare, misurazione della velocità d'aria, comunicazione e altri moduli multi-sensore.Attraverso algoritmi di controllo a circuito chiuso ad alta frequenza e di fusione di dati da più fonti, realizza funzioni di base come la stabilizzazione dell'atteggiamento, il volo a quota fissa e il tracciamento della traiettoria, nonché funzioni intelligenti avanzate come la navigazione ridondante,volo anti-interferenza e autodiagnosi dei guasti.
L'iterazione degli algoritmi di rilevamento e controllo del controllo di volo è la forza trainante fondamentale per i droni per passare da un semplice volo manuale a un volo intelligente completamente autonomo,e costituisce la base fondamentale per gli UAV ampiamente utilizzati nella fotografia aerea, scenari di rilevamento, mappatura e ispezione industriale.
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