1مقدمه
در مرحله اولیه توسعه UAV، تحقیق و توسعه عمدتا بر ساختار هواپیمایی و عملکرد مکانیکی متمرکز بود و توانایی پرواز پایدار، سریع و در ارتفاع بالا را دنبال می کرد.با تکرار سریع تراشه ها، هوش مصنوعی و فناوری های داده های بزرگ ، UAV ها به سمت هوش ، ترمینال سازی و عملیات خوشه ای تکامل یافته اند.دخالت فناوری اطلاعات الکترونیکی و میکروالکترونیک به شدت آستانه استفاده از UAV را کاهش داده است، که مصرف کنندگان غیرنظامی را قادر می سازد با استفاده از عملیات ساده پرواز پایدار را به دست آورند.
بدون شک، ارتقاء سریع تکنولوژی کنترل پرواز نیروی محرک اصلی برای محبوبیت جامع و پرش عملکرد UAV در دهه گذشته است.
2سيستم کنترل پرواز چيست؟
سیستم کنترل پرواز (FCS) به عنوانمغز UAV هااین سیستم عملکردهای اصلی از جمله درک زمان واقعی وضعیت هواپیما، محاسبه داده ها، قضاوت منطقی و خروجی دستورالعمل را انجام می دهد.
پرواز، حرکت، تغییر حالت و تنظیم مسیر هواپیماهای بدون سرنشین چند روتر، همه به منطق یکپارچه عمل می کنند:حسگرهای مختلف داده های موقعیت و موقعیت را در زمان واقعی جمع آوری می کنند و آنها را به کنترل کننده پرواز منتقل می کنند.پس از عملیات و تجزیه و تحلیل فرکانس بالا، کنترل کننده پرواز دستورات کنترل را به محرک می دهد تا سرعت موتور را تنظیم کند و کنترل پرواز پایدار را کامل کند.
شبیه به مغز انسان، کنترل کننده پرواز یک حلقه کنترل حلقه بسته ای از "ادراک-حساب- اجرا- بازخورد" را تشکیل می دهد،که اصلی ترین سیستم سخت افزاری و نرم افزاری برای اطمینان از پرواز پایدار و ایمن UAV است.
3اصول پرواز و منطق کنترل هواپیماهای بدون سرنشین چهار روتر
3.1 ترکیب ساختاری کلی
یک UAV چهار چرخدار استاندارد متشکل از چهار ماژول اصلی است: ماژول تشخیص، ماژول کنترل، ماژول اجرای و ماژول منبع برق.بدنه از یک ساختار سخت و سبک و با قدرت بالا از فیبر کربن استفاده می کندچهار موتور روتور در چهار انتهای بدنه نصب شده اند که تمام قدرت پرواز را برای UAV فراهم می کنند.
حالت پرواز و موقعیت چهار روتور به طور کامل با تنظیم سرعت چهار روتور کنترل می شود.روتورهای جلو و عقب در جهت ساعت می چرخند.، در حالی که روتورهای چپ و راست در جهت معکوس ساعت چرخش می کنند و لغو گشتاور متقابل را در حالت حرکت در حال حرکت می کنند.
بدون سرنشين چهار روتر يک هواپيماي معمولي استسیستم غیرخطی به شدت متصل به سیستم غیرخطیبا حرکت 6 درجه آزادی که توسط 4 گروه سرعت روتر کنترل می شود. رابطه قوی بین حرکت حالت و حرکت انتقال وجود دارد.که الزامات بالایی را برای عملکرد و دقت در زمان واقعی الگوریتم های کنترل پرواز مطرح می کند.
3.2 پنج کشور اصلی پرواز
پرواز کردن: چهار روتور با سرعت یکسانی حرکت می کنند، حمل کل با گرانش UAV تعادل می یابد، و چرخش کلی صفر است، که باعث ایجاد حرکت ثابت در هوا می شود.
حرکت عمودی: سرعت هر چهار روتور را به طور همزمان افزایش یا کاهش دهید. افزایش کل لیفت باعث صعود عمودی می شود، در حالی که کاهش کل لیفت باعث سقوط عمودی می شود.
حرکت رول: سرعت روتورهای جلو و عقب را بدون تغییر نگه دارید، سرعت روتورهای چپ و راست را تنظیم کنید تا تفاوت کششی ایجاد شود، چرخش جانبی را تولید کنید،و متوجه ميل چپ و راست و ترجمه بدنه.
حرکت ارتفاع: سرعت روتورهای چپ و راست را بدون تغییر نگه دارید، سرعت روتورهای جلو و عقب را تنظیم کنید تا تفاوت بالا بردن جلو و عقب را تشکیل دهید و شیب جلو و عقب و پرواز بدن را تحقق دهید.
حرکت "او": تنظیم تفاوت سرعت بین گروه های روتور در جهت ساعت و در جهت مخالف ساعت برای شکستن تعادل گشتاور، تولید گشتاور در اطراف محور مرکزی بدنه،و متوجه چرخش انحراف چپ و راست.
3.3 پرواز مستقل و منطق کنترل پایدار
پيگيري قطب دقيق شرط اساسي پرواز مستقل بدون سرنشين استکنترل موضع ثابت، فرضیه اصلی کنترل دقیق مسیر است..
سیستم کنترل پرواز یکچارچوب کنترل دو حلقه ای: حلقه داخلی کنترل ثابت فرکانس بالا از سه زاویه حالت (طوفان، ارتفاع، پیش بینی) را تحقق می بخشد و حلقه بیرونی مسیر فرکانس پایین و ردیابی موقعیت را تکمیل می کند.حلقه ي داخلي سريع پاسخگويي، تداخلات خارجي و اضطراب رويه رو از بين مي برد، در حالی که حلقه بیرونی راهبری دقیق مسیر را در مسافت های طولانی درک می کند.
برای مقابله با تداخلات پیچیده محیط زیست و سر و صدای سنسور، سیستم کنترل پرواز مجهز به ناظران اختلال و الگوریتم های تعویض سازگاری برای بهبود ثبات سیستم است.تضمین ردیابی مداوم و پایدار وضعیت و اجرای مسیر در سناریوهای پیچیده.
4اجزای اصلی و عملکردهای سنسور سیستم کنترل پرواز
4.1 واحد اندازه گیری بی وقفه IMU (درک اصلی نگرش)
IMU اساسی ترین واحد سنجش سیستم کنترل پرواز است که شامل یک ژایروسکوپ سه محوری، یک شتاب سنج سه محوری، یک سنسور ژئومغناطیسی سه محوری و یک بارومتر است.مسئول درک حالت حرکت تمام بعد.
جیروسکوپ سه محوری: بر اساس اثر ژايروسکوپي، سرعت زاوي بي پي ام را در محور هاي X، Y و Z در زمان واقعي اندازه مي گيرد،و داده های اصلی برای اصلاح ثبات حالت را فراهم می کند.
سرعت سنج سه محور: تسریع خطی سه محور بدنه را درک می کند، وضعیت حرکت مانند شتاب، کاهش سرعت و حالت ثابت را قضاوت می کند و در حل زاویه شیب حالت کمک می کند.
حسگر ژئومغناطیسی: معادل یک قطب نما الکترونیک، آن را کالیبراسیون زاویه مسیر UAVs برای حل مشکل drift yaw از سنسورهای بی وقفه.
بارومتر: تغییرات فشار جوی را اندازه گیری می کند تا موقعیت دقیق ارتفاع نسبی و پرواز ارتفاع ثابت را به دست آورد و دقت پایین اندازه گیری ارتفاع GPS را جبران کند.
IMU یک حلقه کنترل 10 هرتز با فرکانس بالا و حلقه بسته با کنترل کننده پرواز را تشکیل می دهد.که به طور پویا تعویض موقعیت در زمان واقعی برای جلوگیری از سرنگونی و سقوط ناشی از عدم تعادل موقعیت.
4.2 حسگر سرعت هوا
حسگر سرعت هوا با تشخیص تفاوت فشار بین فشار جوی ثابت و فشار باد روبه رو سرعت هوا را در زمان واقعی محاسبه می کند.سرعت حرکتی نسبی بین UAV و هوا را نشان می دهد، که داده های کلیدی برای قضاوت در مورد قدرت بلند شدن و پرواز پایدار است، به طور موثر از شکست پرواز ناشی از تداخل با باد مقابل یا باد عقب جلوگیری می کند.
4.3 GPS/ ماژول موقعیت Beidou
بر اساس اصل موقعیت گذاری سه جانبه ماهواره ای، GPS / Beidou اطلاعات طول مطلق، عرض البلد، سرعت زمین و ارتفاع UAV را دریافت می کند.سیستم موقعیت پذیری باز و بالغ می تواند در محیط های باز به دقت موقعیت مکانی در سطح متر یا حتی زیر متر برسد، ارائه مرجع موقعیت مطلق برای برنامه ریزی مسیر، پرواز در نقطه ثابت و بازگشت به منزل.
GPS در معرض محاصره توسط ساختمان ها، درختان و تونل ها است، که منجر به از دست دادن سیگنال و حرکت می کند، که یکی از علل اصلی پرواز و سقوط UAV در سناریوهای پیچیده است.
4.4 ایستگاه زمینی و رادیو انتقال داده
ایستگاه زمین، ترمینال تعامل انسان-کامپیوتر و برنامه ریزی فرمان سیستم UAV است.تعبیه وظایف و نظارت بر وضعیت پرواز در زمان واقعی از طریق نرم افزار پشتیبانی.
رادیو انتقال داده ها پل ارتباطی بین ایستگاه زمینی و UAV است.دارای نفوذ قوی و فاصله انتقال طولانی استاین سیستم انتقال دو طرفه دستورات زمینی و داده های پرواز UAV (ارتفاع، سرعت، نگرش، ولتاژ) را درک می کند و از تغییر مسیر در زمان واقعی و کنترل اضطراری در طول پرواز پشتیبانی می کند.
5توابع اصلی سیستم کنترل پرواز هوشمند مدرن
5.1 درک دقیق حالت کامل
سیستم کنترل پرواز می تواند 15 مقدار اصلی حالت پرواز را در زمان واقعی، از جمله موقعیت سه بعدی، سرعت سه بعدی، شتاب سه بعدی، زاویه سه محور و سرعت زاویه ای سه محور، نظارت کند.از طریق همجوشی داده های چند سنسور، آن را از بین می برد خطاهای سنسورهای تک مانند IMU، GPS و بارومتر، و خروجی اطلاعات وضعیت پرواز با قابلیت اطمینان بالا.
5.2 ناوبری یکپارچه چند سنسور
سیستم های کنترل پرواز پیشرفته مدرن سنسورهای بصری و سنسورهای فوق صوتی را بر اساس ناوبری انرشیال سنتی و ناوبری ماهواره ای گسترش می دهند.اندازه گیری سرعت و اجتناب از موانع; سونوگرافی کمک می کند در دقت بالا در ارتفاع کم ارتفاع ثابت. IMU اضافی و سیستم زمین مغناطیسی به طور خودکار کانال های کار در صورت شکست سنسور،بهبود قابل اطمینان پرواز. آن را به دست می آورد تغییر بی فرقی از پرواز پایدار در صحنه های باز GPS قوی و GPS از دست داده صحنه های داخلی و پناهگاهی.
5.3 کنترل پرواز با ثبات بالا
با استفاده از الگوریتم های کنترل بهینه شده، سیستم کنترل پرواز دارای قابلیت های کنترل دقیق بالا برای پرتاب، سرعت کم و پرواز با سرعت بالا است.ضد تداخل قوی و تحمل خطا دارد. می تواند به سرعت در سناریوهای شدید مانند آسیب به پروپلر ، ضربه خارجی و تغییر ناگهانی بار ، وضعیت پایدار را بهبود بخشد و به طور موثر ایمنی پرواز را بهبود بخشد.
5.4 تشخیص اشتباه هوشمند و هشدار زودهنگام
سیستم کنترل پرواز پارامترهای زمان واقعی مانند ولتاژ، جریان، دمای، سرعت موتور و ارتعاش را نظارت می کند.تشخیص هوشمند از نقص های احتمالی مانند حرکت IMU را درک می کنداین سیستم از هشدار زودهنگام و حفاظت از وضعیت اضطراری پشتیبانی می کند و احتمال حوادث پرواز را به شدت کاهش می دهد.
6خلاصه
سیستم کنترل پرواز UAV به کار مشترک IMU، موقعیت گذاری ماهواره ای، اندازه گیری سرعت هوا، ارتباطات و سایر ماژول های چند سنسور متکی است.از طریق کنترل چرخه بسته با فرکانس بالا و الگوریتم های همجوشی چند منبع داده، این عملکردهای اساسی مانند ثبات حالت، پرواز در ارتفاع ثابت و ردیابی مسیر، و همچنین عملکردهای پیشرفته هوشمند مانند ناوبری اضافی را درک می کند،پرواز ضد تداخل و خود تشخیص خطا.
تکرار الگوریتم های سنجش و کنترل کنترل پرواز، نیروی محرکه اصلی برای حرکت UAV ها از پرواز دستی ساده به پرواز هوشمند کاملا مستقل است.و اساس اصلی برای استفاده گسترده از UAV در عکاسی هوایی است، نقشه برداری، نقشه برداری و سناریوهای بازرسی صنعتی
پیام شما باید بین 20 تا 3000 کاراکتر باشد!
