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1、无人机竞技大赛技术解决方案零度智控（北京）智能科技有限公司版权所有目 录1 项目背景及需求分析 在我国国民经济繁荣发展的新时期，航空事业的发展正面临历史机遇。为普及航空科技知识，推动航空科技创新发展，营造航空文化氛围，提高国民航空意识。2010年11月17日下午在珠海航展上，举行了“中航工业杯国际无人飞行器创新大奖赛”的启动仪式。仪式结束后，由于零度智控在无人机领域所处的领先地位，有很多客户来电咨询我们能否提供无人机大赛的技术。我们仔细分析了此次竞技大赛的要求，首先大赛要求设计和制造小型常规固定翼无人机系统，完成自主起飞，空中自主飞行，和在模拟航母甲板上的自主着舰演示飞行。其次可以看出精确起飞
2、、航线飞行和下滑拦截着舰是此次竞技大赛的得分重点。最后先进的引导原理以及飞行控制稳定精确稳定，则决定得分的高低。结合我公司自主创新的先进无人机飞行控制技术，通过理论论证，建模分析、模拟仿真，以及后期实际实验试飞，开发出了符合此次竞技大赛要求的无人机控制YS100系统。我公司的YS100系统，在天气良好的良好下：精准自主起飞和航线飞行的成功率在90%，而带动力自主着舰并成功挂住绳索的成功率在85%以上。如果客户您在此次竞技大赛中使用了我公司的无人机控制YS100系统，那么您在比赛中取得好成绩就多了一份保障。2 系统设计原则根据比赛要求，系统要实现飞机与地面站的双向数据交换，拟用采用两种链路模式：
3、1. ADS模式，实现飞机定时向地面站发送报告的功能。2. RC模式,实现地面站向飞机发送询问、控制指令的功能。针对小型无人机机体体积小、重量轻、实时性要求的特点，系统设计遵循如下原则：1.方案完全遵循比赛规则的要求，大胆创新的思想，发扬航空文化以及展现绿色航空的理念。 2.飞控主板以及机载通讯设备力求轻便。 3.要求传输设备性能良好，飞控主板处理能力高、实时性好。 4.地面站软件设计遵循易用原则，用户界面设计友好、直观、统一规范。 5安全性能可靠，有应急操作程序和特情处置预案。3 系统设计方案3.1 两种系统方案此次竞技大赛中，飞行器按要求自主降落着舰过程尤其重要，是设计的难点同时也是比赛得
4、分的重点。根据引导原理的不同，我们提出了两种解决方案。方案1.使用DGPS/GPS引导系统。方案2.使用视觉导航和超声波测高辅助引导。3.2 两种方案的比较方案1. DGPS/GPS引导系统，虽然精度高，使用简单，但是信号容易受到无线电信号干扰并易丢失。而且传统设计方法亮点不够，难以在设计上胜人一筹。方案2. 视觉导航和超声波测高辅助引导是一个比较新颖的方法，虽然它成本高，控制算法难度大，但是视觉导航获取的位置信号不受其他信号的干扰，能够使飞机在降落时，安全自主降落在规定区域内，相应的得分机比较多。从客户的角度出发，为在比赛中获得好的成绩，我们接下来重点论述方案2，使用视觉导航和超声波测高辅助
5、引导。3.3 系统硬件整体概述该硬件系统是ARM9+FPGA的经典嵌入式架构，结合IMU和加速度计等传感器以及外围电路实现控制飞机平衡的一个独立、完整的硬件系统。它的主要功能为实现如何控制飞机在飞行过程中的平衡进行分析，通过系统中的陀螺仪和加速度计组成的一个精确无漂移的惯性姿态平衡系统。同时利用GPS、气压传感器、超声波传感器和视觉导航的方法获得飞机当前精确的三维定位，通过结合姿态控制和定位，实现飞行器的惯性导航和自动驾驶。3.4 系统示意图图1 系统示意图3.5 YS100的主控板介绍3.5.1核心板外观图2 主板外观图3.5.2核心板物理参数尺寸：107.1mm*57.0mm重量：46g存
6、储温度：-40+65 ；工作温度：-20+55 ；3.5.3核心器件介绍微处理器采用基于ARM9架构的AT91RM9200，主频最高200MHz，搭配FPGA实现多路脉宽信号的同时捕获、无时差输出，以及高速的陀螺信号读取； A/D器件采用AD公司的ADS1256，24位高精度，8路通道差分输入，除了采集3轴加速度和3轴角速度信息外，还可采集电池电压以及进行电流测量；超声波传感器测高精度1cm，测量范围为5m；气压计采用Intersema公司的MS5534压力计，测量精度为0.1mbar，即10帕斯卡，对应约0.8米的测高精度；GPS模块采用ublox公司的LEA5代芯片，最高4Hz输出。 该系
7、统还集成一个只高端的IMU惯性传感器ADIS16405，它是一款完整的三轴陀螺仪、磁力计与加速计惯性检测系统，这款传感器结合了混合信号处理技术，提供校准的数字惯性检测，是高集成度的解决方案，体积为23mm23mm23mm，重量不超过16g。3.6 其他相关硬件 3.6.1电源部分飞控板：YS100自动驾驶仪的供电电压是720V，推荐的供电电压是12V，可使用3节锂电池串联供电；接收机：电源由飞控主板提供，无需外接电源；舵机：外接电源，供电电压4.86V，并与自动驾驶仪的舵机输出共地。 3.6.2通讯链路1.接收机部分系统使用频率应符合国家无线电管理委员会的频率分配规定，所以我们系统推荐使用10
8、通的72M或者2.4G的接收机。2.数字电台部分:该系统的通讯链路并不是YS自动驾驶仪内部的一个模块，用户应使用外置的通讯链路模块来实现自动驾驶仪和地面控制软件间的通讯。YS100自动驾驶仪使用的通讯链路应是双向的。上行链路负责传送地面人员发出的指令，传送航点规划等等。下行链路则负责传送飞行状态等遥测信息。YS100自动驾驶仪与通讯链路之间的异步串行接口是RS232；需要用户为通讯链路提供单独的供电电源。3.GPS部分YS100自动驾驶仪选用平板式GPS天线，该天线接收信号的能力较强，并且能有效克服地面反射的虚假信号。在安装时，应注意将天线的上表面向上，且水平放置，周围不应有金属遮挡物。3.7
9、 地面站介绍：地面站软件与飞机进行双向数据通讯，主要有以下作用：设置飞控参数；标定与设置参数；飞控飞行PID实时调整；监视与控制飞行状态；图形化显示飞行数据；可视化编辑飞行航线（航点）；控制任务载荷；回放飞行数据及照片数据。 图3 地面站软件界面4 YS100系统如何实现此次比赛的要求4.1 理论基础4.1.1飞机总能量控制理论升降舵和油门杆对飞机响应的耦合特性使得基于单输入单输出的控制器设计方法不能实现飞行速度和飞行航迹的单独控制,在飞机低动压飞行状态下飞行速度/航迹耦合更加剧烈.如飞机着陆进场阶段1度的航迹角偏差可产生2m/s的速度偏移.5s由1m/s的速度偏差可产生6m的高度偏移.飞行速
10、度/航迹去耦合控制律设计是改善飞机纵向机动性能,提高飞机着陆精度的有效途径.目前一般的做法是在高度保持模态下进行速度控制或在速度保持模态下进行高度切换,但由于缺少舵面和油门杆间合适的协同控制,解耦控制效果并不理想. 将偏差控制引入到基于飞机总能量控制的飞行航迹/速度解耦控制中,从而实现对飞行速度/飞行高度的无稳差控制,又能保证不损失以能量控制为核心建立起来的控制量动态信息.基于飞机总能量控制的飞机速度/航迹解耦控制理论的简单介绍，飞机的能量方程可如下表示 ET=GV2/2g+Gh (1)式中，ET 为飞机总能量，它由飞机的动能和势能两部分组成。G为飞机重量，g为重力加速度，V为空速，h为飞行高
11、度.下面给出基于飞机总能量控制解耦控制的核心算法结构图图4 算法结构图Rc 、Vc 为系统期望的航迹角和飞行速度。YS100飞控系统中纵向控制模态设计中包括：航迹角跟踪，高度跟踪，下滑角跟踪，垂直导航，空速跟踪，时间导航。通过建模仿真后得出的结论是，在基于飞机总能量控制的核心算法的基础上，引入偏差控制以消除系统对飞行速度和飞行高度的稳态误差，从而显著提高系统的解耦性能。使所设计解耦控制律对飞机参数不确定性和干扰不确定性具有一定的鲁棒性。4.1.2 视觉导航简介无人机自动着陆导航的关键参数是飞机在地面上某一固定坐标系中的坐标( x ，y，z ) 。视觉导航系统基于投影几何学，利用图像跟踪技术及三
12、角解算获取空间位置。 其基本思路是通过机载图像传感器获取跑道图像，提取跑道特征量后与已知参考位置的特征量进行比较，来确定无人机的空间相对位置。考虑到机载图像采集装置的可维护性及图像稳定性等因素，故把图像传感器安装在地面跟踪系统上，从而实现地面导航，如图5所示： 着舰控制系统无人机与着舰目标的相对运动控制图像采集装置运动物体识别与跟踪三角计算相对空间位置图5 视觉导航原理框图 图6 双视觉导航系统导航方法可以采用单视觉或者双视觉导航，这里只对双视觉导航进行简单介绍。为采用 2个图像采集分系统的双摄像机视觉导航系统，如6图所示，2个图像跟踪系统分别放置在跑道两侧，利用图像跟踪技术在图像中锁定无人机
13、，图像采集装置 ( 摄像机)安装在二轴转台上，以精确记录偏转角度。其方位角记为1 、2 ，转台偏转俯仰角记为1、2 。通过角度及转台间的距离，可确定无人机的相对空间位置。双摄像机视觉导航需 2个图像跟踪系统同时工作，依三角测距原理测定距离。取系统中的某台摄像机镜头中心 ( 如左摄像机)为原点建立地面坐标系，在x轴上安装图像跟踪系统，设 2摄像机镜头中心距离为 S 。该系统将各 自测得的转台俯仰角和方位角通过串口或网络传入导航计算机。 如图 7 ，A为飞机所在位置，Ol O2 =S，1 、2，1、2 可从 2个图像跟踪系统中的转台中直接获取，令HG=h，由：h*tan1+ h*tan2 =S 和
14、 h =S/( tan1+ t an2)得飞机在地面坐标系中的坐标( x ,y,z ) ： x= h*tan1=s *tan1/( tan1+tan2)y= h*tan1/cos1=s* tan1/(cos1*( tan1+tan2)z=-h=-s/( tan1+tan2)图7 双摄像定位原理图4.2 过程分析4.2.1起飞 YS100系统在安装调试完成后，起飞过程非常简单。通电并确认GPS定位后，上传规划好的航线后，将遥控器第5通道开关拨到自动驾驶模式，飞行器即自动起飞。在自主起飞后，通过飞控内部程序来控制，飞行器会按直线飞行慢慢爬高，从而通过顺利通过限宽门，进入航线飞行。4.2.2降落过程
15、分析无人机在完成全场飞行后，自主降落目标区域。地面会需要在着舰区两侧放各一个摄像机，通过对地面视频采集系统中摄象机朝天观测的视频图像进行分析处理，图像处理算法采用自动目标识别（ATR）和三角解算的方法，在固定的背景里提取出飞机所在空间里的实时三维坐标，即通过视频测量飞机的位置，来控制修正飞机的轨迹，引导飞机降落的高度偏差和位置偏差这样通过不断的坐标计算，足够保证飞机在自主降落后顺利通过限宽门。4.2.3 着舰过程分析飞行器降落最后一步是带动力滑跑式着舰，通过飞行器的地钩勾着着舰区域的绳索顺利完成降落。首先比赛规定舰上拦阻索为长度8米、直径5毫米的尼龙索，中心高出有效着舰区平面30毫米。这时采用超声波传感器测高度来辅助着舰。因为当飞机进入甲板上空时时由于甲板高出地面0.8米（见比赛规则），超声波会测量高度变化很大,CPU检测到该信号后,开始计时（超声
