1Wprowadzenie
Na wczesnym etapie rozwoju bezzałogowych statków powietrznych badania i rozwój koncentrowały się głównie na strukturze aerodynamicznej i wydajności mechanicznej, dążąc do stabilnych, szybkich i wysokości lotów.Z szybką iteracją chipów, sztucznej inteligencji i wielkich technologii danych, UAV ewoluowały w kierunku inteligencji, terminalizacji i operacji klastrowych.Interwencja technologii elektronicznych informacji i mikroelektroniki znacznie zmniejszyła próg zastosowania UAV, umożliwiając użytkownikom cywilnym osiągnięcie stabilnego lotu przy prostym obsłudze.
Bez wątpienia szybka modernizacja technologii sterowania lotem jest podstawową siłą napędową dla kompleksowej popularyzacji i skoku wydajności dronów w ostatniej dekadzie.
2Co to jest system kontroli lotu?
System sterowania lotem (FCS) jest uważany zamózg UAVWykonuje podstawowe funkcje, w tym percepcję postawy samolotu w czasie rzeczywistym, obliczenia danych, rozstrzygnięcia logiczne i wyjście instrukcji.
Lot, unikanie, przekształcanie postawy i dostosowanie trajektorii wielo-rotorowych bezzałogowych statków lotniczych podlegają jednolitej logice:różne czujniki zbierają w czasie rzeczywistym dane o postawie i pozycji i przekazują je kontrolerowi lotuPo wysokiej częstotliwości działania i analizy, sterownik lotu wydaje polecenia sterowania do siłownika, tak aby regulować prędkość silnika i kompletne stabilne sterowanie lotem.
Podobnie jak w ludzkim mózgu, sterownik lotu tworzy zamkniętą pętlę sterowania z zakresu:który jest najważniejszym systemem sprzętowym i oprogramowania zapewniającym stabilny i bezpieczny lot bezzałogowych statków powietrznych.
3Zasada lotu i logika sterowania UAV z kwadrotorem
3.1 Ogólny skład strukturalny
Standardowy UAV o czterech obrotowych składa się z czterech podstawowych modułów: modułu wykrywania, modułu sterowania, modułu wykonywania i modułu zasilania.Kadłub przyjmuje lekką i wytrzymałą strukturę sztuczną z włókna węglowegoNa czterech końcach kadłuba zainstalowane są cztery silniki obrotowe, zapewniające całą moc lotu dronu.
Położenie i postać kwadratora są kontrolowane przez ustawianie prędkości czterech wirników.przednie i tylne wirniki obracają się w kierunku wskazówek zegara, podczas gdy lewy i prawy wirnik obracają się w kierunku przeciwnym do ruchu wskazówek zegara, realizując wzajemne anulowanie momentu obrotowego w stanie zawieszenia.
UAV z czworokrotem jest typowymsystem nieliniowy o silnym sprzężeniuz wyjściem ruchu o 6 stopniach swobody sterowanym przez 4 grupy prędkości wirnika.wprowadzające wysokie wymagania dotyczące wydajności i dokładności algorytmów sterowania lotem w czasie rzeczywistym.
3.2 Pięć podstawowych stanów lotu
Wędrowanie: Cztery wirniki poruszają się z tą samą prędkością, całkowite podnoszenie jest równoważone z grawitacją UAV, a ogólny moment obrotowy jest zerowy, co pozwala na stabilne statyczne unikanie się w powietrzu.
Ruch pionowy: Synchroniczne zwiększanie lub zmniejszanie prędkości wszystkich czterech wirników.
Ruch obrotowy: utrzymać prędkość przednich i tylnych wirników niezmienioną, regulować prędkość lewych i prawych wirników, aby utworzyć różnicę podnoszenia, generować moment boczny,i zrealizować lewy i prawy nachylenie i translacji kadłuba.
Ruch wybicia: utrzymywanie niezmienionej prędkości lewych i prawych wirników, regulacja prędkości przednich i tylnych wirników w celu tworzenia różnicy podnoszenia przedniej i tylnej części i osiągnięcie nachylenia i lotu kadłuba do przodu i do tyłu.
Ruch " Yaw ": regulowanie różnicy prędkości między grupami wirników w kierunku wskazówek zegara i w kierunku przeciwnym do wskazówek zegara, aby złamać równowagę momentu obrotowego, generować moment obrotowy wokół centralnej osi kadłuba,i zrealizować lewy i prawy obrót odchylenia.
3.3 Lot autonomiczny i stabilna logika sterowania
Dokładne śledzenie trajektorii jest podstawowym warunkiem autonomicznego lotu bezzałogowego statku powietrznego.Stabilna kontrola nastawienia jest podstawowym warunkiem dokładnej kontroli trajektorii..
System kontroli lotu przyjmujeukład sterowania z podwójnym pętlem: ścieżka wewnętrzna realizuje stabilną kontrolę wysokiej częstotliwości trzech kątów nastawienia (roll, pitch, yaw), a ścieżka zewnętrzna uzupełnia niską częstotliwość trajektorii i śledzenia pozycji.Szybko reagująca pętla wewnętrzna tłumi zewnętrzne zakłócenia i nerwowość nastawienia, podczas gdy zewnętrzna pętla umożliwia dokładną nawigację na duże odległości.
Aby poradzić sobie ze złożonymi zakłóceniami środowiskowymi i hałasem czujników, system sterowania lotem jest wyposażony w obserwatory zakłóceń i algorytmy kompensacji adaptacyjnych w celu poprawy wytrzymałości systemu,zapewnienie ciągłego i stabilnego śledzenia pozycji i wykonywania trajektorii w skomplikowanych scenariuszach.
4. Podstawowe komponenty i funkcje czujników systemu kontroli lotu
4.1 Jednostka pomiaru inercji IMU (podstawowe postrzeganie postawy)
IMU jest najbardziej podstawową jednostką czujnika systemu sterowania lotem, składającą się z 3-osiowego giroskopu, 3-osiowego akcelerometru, 3-osiowego czujnika geomagnetycznego i barometru,odpowiedzialny za pełnowymiarowe postrzeganie stanu ruchu.
Gyroskop 3-osiowyNa podstawie efektu żyroskopicznego mierzy prędkość kątową bezzałogowego statku powietrznego na osi X, Y i Z w czasie rzeczywistym, rejestruje tendencje zmiany nastawienia,i dostarcza podstawowych danych dotyczących korekty stabilności nastawienia.
3-osiowy akcelerometr: Wykrywa przyspieszenie liniowe trzech osi kadłuba, ocenia stan ruchu, taki jak przyspieszenie, opóźnienie i stan statyczny, oraz pomaga w rozwiązywaniu kąta nachylenia pozycji.
Czujnik geomagnetyczny: Równoważny elektronicznemu kompasowi, kalibruje kąt kierunku drona, aby rozwiązać problem dryfujący czujników bezwładności.
Barometr: mierzy zmiany ciśnienia atmosferycznego w celu osiągnięcia wysokiej precyzji pozycjonowania wysokości względnej i lotu na stałej wysokości, kompensując niską dokładność pomiaru wysokości GPS.
IMU tworzy z sterownikiem lotu ścieżkę sterującą o wysokiej częstotliwości 10 Hz w pętli zamkniętej,który dynamicznie kompensuje przesunięcie pozycji w czasie rzeczywistym, aby zapobiec przewróceniu i zderzeniu spowodowanemu brakiem równowagi pozycji.
4.2 czujnik prędkości powietrza
Czujnik prędkości oblicza prędkość w czasie rzeczywistym poprzez wykrycie różnicy ciśnienia między ciśnieniem atmosferycznym a ciśnieniem wiatru.odzwierciedla względną prędkość ruchu między UAV a powietrzem, które są kluczowymi danymi do oceny dźwigni startowej i stabilnego lotu, skutecznie zapobiegając awarii lotu spowodowanej interferencją wiatru przeciwnym lub tylnym.
4.3 GPS/Moduł pozycjonowania Beidou
Na podstawie zasady trójstronnego pozycjonowania satelitarnego, GPS/Beidou uzyskuje informacje o absolutnej długości geograficznej, szerokości geograficznej, prędkości lądowej i wysokości.Otwarty i dojrzały system pozycjonowania może osiągnąć dokładność pozycjonowania na poziomie metra lub nawet na poziomie submetrowym w otwartym środowisku, zapewniające odniesienie pozycji bezwzględnej do planowania trasy, przesiadki na stałym punkcie i lotu powrotnego do domu.
System GPS jest podatny na zablokowanie przez budynki, drzewa i tunele, co powoduje utratę sygnału i dryfowanie, co jest jedną z głównych przyczyn ucieczki i rozbijania się UAV w złożonych scenariuszach.
4.4 Stacja naziemna i radio nadające dane
Stacja naziemna to terminal interakcji człowiek-komputer i planowania poleceń systemu UAV.wdrożenie zadań i monitorowanie stanu lotu w czasie rzeczywistym za pomocą oprogramowania wspomagającego.
Radio przekazujące dane jest mostem komunikacyjnym między stacją naziemną a bezzałogowym statkiem.charakteryzuje się silną penetracją i długą odległością transmisji. Realizuje dwukierunkową transmisję poleceń naziemnych i danych lotu UAV (wysokość, prędkość, postawa, napięcie), wspierając w czasie rzeczywistym modyfikację trasy i kontrolę awaryjną podczas lotu.
5Podstawowe funkcje nowoczesnego inteligentnego systemu sterowania lotem
5.1 Dokładna percepcja pełnego stanu
System kontroli lotu może monitorować 15 podstawowych wartości stanu lotu w czasie rzeczywistym, w tym pozycję 3D, prędkość 3D, przyspieszenie 3D, kąt 3 osi i prędkość kątową 3 osi.Poprzez fuzję danych wielosensorów, eliminuje błędy pojedynczych czujników, takich jak IMU, GPS i barometr, i daje wysokiej niezawodności dane o stanie lotu.
5.2 Zintegrowana nawigacja wielosensorowa
Nowoczesne zaawansowane systemy sterowania lotem rozszerzają czujniki wizualne i ultradźwiękowe na podstawie tradycyjnej nawigacji inercyjnej i nawigacji satelitarnej.pomiar prędkości i unikanie przeszkód; ultradźwięki pomagają w precyzyjnym ustawieniu wysokości na niskiej wysokości.znacznie zwiększenie niezawodności lotuUświadamia sobie płynne przełączanie stabilnego lotu w otwartych scenach z silnym systemem GPS oraz w scenach wewnętrznych i chronionych z utratą systemu GPS.
5.3 Wysokiej wytrzymałości sterowanie lotem
Dzięki zoptymalizowanym algorytmom sterowania, system kontroli lotu ma wysoką precyzję w zakresie sterowania unoszeniem się, niskich prędkościach i dużych prędkościach.ma silną odporność na zakłócenia i błędyMoże szybko odzyskać stabilną pozycję w ekstremalnych scenariuszach, takich jak uszkodzenie śmigła, uderzenie zewnętrzne i nagła zmiana obciążenia, skutecznie poprawiając bezpieczeństwo lotu.
5.4 Inteligentna diagnoza i wczesne ostrzeganie usterek
System kontroli lotu monitoruje w czasie rzeczywistym parametry takie jak napięcie, prąd, temperatura, prędkość silnika i wibracje.Wykonuje inteligentną diagnostykę potencjalnych usterek, takich jak drift IMU.System ten zapewnia wczesne ostrzeganie i ochronę sytuacji awaryjnej, znacznie zmniejszając prawdopodobieństwo wypadków lotniczych.
6Podsumowanie
System sterowania lotem bezzałogowego statku powietrznego opiera się na współpracy IMU, lokalizacji satelitarnej, pomiarze prędkości powietrza, komunikacji i innych modułach wielosensorów.Za pośrednictwem algorytmów sterowania zamkniętą pętlą o wysokiej częstotliwości i fuzji danych z wielu źródeł, realizuje podstawowe funkcje, takie jak stabilizacja nastawienia, unoszenie się na stałej wysokości i śledzenie trajektorii, a także zaawansowane inteligentne funkcje, takie jak nadmierna nawigacja,samodiagnozacja lotu przeciw zakłóceniom i awarii.
Iteracja czujników i algorytmów sterowania sterowaniem lotem jest podstawową siłą napędową dla bezzałogowych statków bezzałogowych w celu przejścia od prostego lotu ręcznego do całkowicie autonomicznego, inteligentnego lotu.i jest kluczową podstawą dla UAV, które będą szeroko stosowane w fotografii powietrznej, scenariusze pomiarów, mapowania i inspekcji przemysłowych.
Twoja wiadomość musi mieć od 20 do 3000 znaków!
