文摘

使用一个适当的传感器在一个无人机(UAV)是至关重要的成功来评估特定的环境条件。此外,技术人员和科学家也欣赏一个平台的传感器有一些优势,如低成本或方便驾驶员管理。然而,额外的需求像一个低空飞行所必需的特殊应用,如植物密度或者水稻产量。扶轮无人机匹配这一要求,但大面积的飞行耐力太短。因此,在本文中,使用了固定翼无人机,哪个更合适,因为它不再飞行耐力。有必要开发一个自己的控制器系统使用特殊的传感器,如激光或雷达的多功能性系统平台。因此,这些传感器用于生成数字高程模型,也作为防撞传感器在同一时间。为了实现这一目标,一个小型无人机配备一个硬件平台包括单片机和传感器。测试系统和仿真后,控制器转换为程序代码来实现单片机。之后,几个真正的航班进行验证控制器和传感器。 We demonstrated that the system is able to work and match the high requirements for future research.

1。介绍

的选择和使用特定的传感器用于评估不同的环境问题遥感应用程序必不可少的科学家和技术人员(1,2]。然而,卫星和载人飞机等传统平台有一些公认的缺点包括特定的传感器。例如,卫星通常不符合所需的分辨率和可以非常昂贵3]。另一方面,载人飞机需要一个昂贵的飞行员和产生其他费用,例如:飞机燃料(4,5]。除了这两个平台上,有一些最近被认为是对科学界来说,例如,直升机或陆地6,4页)。Heipke et al。7,p . 34]暴露,有不同的平台(卫星、飞机、无人机和地面)分为不同规格等成本,操作风险,或决议。作者指出,无人机系统(UAS)可以被认为是成本最低的平台。最近,小型无人机是给机会实现新的应用程序和评估不同的场景与成功的结果在应用科学著作8- - - - - -10]。他们现在通常用于标准的应用,如地形测量、检查航班,映射和监控(11,p . 119]。除了这些之外,还有一些特殊的应用程序需要一个低空飞行等植物密度估计(12),水稻产量(13],矿产勘查[14),和基础设施以及气象灾害风险评估(15- - - - - -17]。所有的这些应用程序用于有扶轮UAS包括multirotor通过四轴飞行器和hexacopter能够在低空飞行3到40米或多达300。

因此,重要的是要备注扶轮UAS匹配这样的低空飞行的要求。然而,耐力是少于30分钟,因为他们没有翅膀隆起;因此,他们只用于小面积。在研究大区域必须研究,固定翼无人机的飞行耐力约60分钟是必要的(7,p . 44]、[18]。固定翼飞机的控制器是众所周知的,详细描述了在最近的文献[19,20.),尤其是对无人机控制技术(21- - - - - -23]。除了文学,有一些商业市场上蒙(例如,Pixhawk 4和狗仔队(24])。然而,为了使用特殊的传感器,有必要开发自己的自动驾驶仪。传感器等特殊的激光雷达(25,26)或雷达(27,28与多功能性系统)可以很容易地实现。激光雷达是常用为了生成数字高程模型,检测流模式,或评估连接(29日- - - - - -31日),甚至实现碰撞避免系统[32]。另一方面,对于weather-independent系统,雷达是更合适的7,53页)(33,p . 204]。

这是可能的,当一个飞行控制器开发固定翼和扶轮无人机。然而,如今,这是缺乏发展;幸运的是,增加设计感兴趣和应用这个评估环境问题等发生。因此,本研究的主要目的是开发一个自动驾驶仪与特殊要求的低空飞行包含在一个小型固定翼无人机配备了硬件平台的特点是单片机开发的控制器运行程序。为了实现这一目标,我们注意以下:(i)来开发一个商业小型固定翼无人机(UAV)配备了硬件平台包括单片机和多个传感器,(ii)测试“无人飞行系统”包括地面控制站和检查传感器数据的完整性提供控制器,(3)分析无人机过程和开发一个仿真包括控制器、(iv)来开发一个程序代码,允许在单片机上运行模拟控制器,和(v)一步一步测试串级控制回路和讨论结果。

2。无人机系统

测试控制器,我们使用一个商业小型固定翼无人机“Yuki-Yuki飞”(图1)。无人机意味着飞机本身,“无人飞行系统”被定义为整个系统包括一个地面站控制。无人机的特点是有一个翼展约1.6米,重量约1.6公斤,包括电池。这种无人机的优点是足够的空间来安装新开发系统的可用性低的价格在市场上(€200)。此外,该无人机由发泡聚丙烯(EPP)很容易被修理或更改后崩溃或事故。

在这个研究中,我们修改了航空电子系统通过实现一个小平台,把印刷电路板(PCB)。三个PCB堆积和通过30头连接。完整的堆栈的大小 。与这一概念,可以取代印刷电路板的硬件更新或失败。图2显示了PCB堆栈。

印刷电路板底部包含单片机(μC)用于控制算法、传感器数据处理和遥测连接。的μC是一只手臂32位Cortex-M4 CPU与CPU频率180 MHz,意法半导体128 kB SRAM和512 kB的闪存。程序代码是用编程语言编写的“C”,也没有使用额外的操作系统。程序实现了所有必需的实时系统的标准。这意味着如果程序代码花太多的时间在失败的情况下,系统将立即重启。整个启动大约需要60 ms。这时,飞机保持最后的设置和苍蝇进一步。控制飞机,该印刷电路板连接器在前方和后方。这些都是用来连接设置襟翼伺服系统,电梯,和舵电机控制器。此外,这个电路板有电压转换器,这是必要的供应μC和传感器与3.3 V或5 V。通常,一个electronic-driven无人机三到六锂离子聚合物电池串联(脂肪)。这些配置是3 s的缩写和6 s电池。然而,这意味着它有一个12.6 V至25.2 V的电压,需要转换。最后但并非最不重要,一个SD卡插槽,坐落在前面,包括读取和写入数据。例子是读路标点从SD卡和写一个日志文件的飞行。

中间的PCB在堆栈包含一个惯性测量单元(IMU)。这被认为是最重要的传感器,用于基本的控制。对于安装,它是必不可少的检查IMU与无人机的位置。两者的区别需要纠正一个偏移量。传感器是使用9自由度(自由度)IMU“博世BNO055”。这个传感器的主要优点是集成传感器融合功能。它结合了原始传感器值加速度计、陀螺仪,和磁强计为一个方向向量包含欧拉角:滚,俯仰和偏航。所有三个轴是有限的,需要考虑到程序代码:从-90°滚到+ 90°;从+ 180°- -180°球场;从0°- 360°和偏航。 The data output rate is set to 33.3 Hz, which is connected to theμ低栈中的C通过通用异步接收发送器(UART)的接口。披露一个错误后通过UART通信制造商,他们建议使用Inter-Integrated电路(I²C)接口,因为它不会是固定的。有时错误触发总线溢出错误。由于相对较低的通信速度,很少发生错误。因此,我们决定解决这个错误,而不是实现一个全新的我²C接口是非常耗时的。通过这个解决方案,乌兹别克斯坦伊斯兰运动完全集成,而不是限制它的使用。

在堆栈顶部PCB组装全球导航卫星系统(GNSS)传感器和遥测。为了获得一个清晰的GNSS信号,它是位于堆栈的顶部。传感器内置嵌入式天线。因此,任何外来的GNSS天线是必要的,它允许节省重量和建筑空间。传感器是一个“Telit SE868”和可以接收多个GNSS服务。最常见的一个是来自美国的全球定位系统(GPS) (34]。此外,它可以接收来自欧盟的伽利略信号(34)和“Globalnaja nawigazionnaja sputnikowaja sistema”全球导航卫星系统(GLONASS)从俄罗斯34]。除此之外,它接收卫星增强系统(sba)数据来获得更准确的位置。将使用的最大输出数据速率是10赫兹。就像乌兹别克斯坦伊斯兰运动传感器、UART接口用于接收来自GNSS传感器的数据。后的数据帧是标准化的国家海洋电子协会(n mea)消息35]。这些是检查、分析和解析的μc .减少界面上的交通,只有重要的n mea消息启用。在我们的例子中,我们使用了GGA(定位修正数据)和VTG(课程和速度超过地面)消息。此外,我们使用ZDA(日期和时间)但是这些数据只会将消息发送每五周期。GGA数据包括标准位置经纬度等信息。VTG消息包含速度和课程。最后但并非最不重要,ZDA消息提供了时间和将被用来写日志文件。除了这些消息,GNSS传感器提供了更多的信息,但这不是必要的发展这样的一个系统。

最后重要的传感器是皮托管测量航速。GNSS速度相比,通常称为水平速度,空速代表真正的速度与考虑风的空气中。图3是一个比较的两个速度的推动力。

在空中的速度是慢的在地上,必须考虑的控制器。飞固定翼飞机,最小空速是必需的;否则,拖延将导致飞机就倒了。管的进气口需要放置远离aircraft-generated扰乱。因此,我们把它放在外翼。传感器的输出是km / h的速度测量,可以使用的μ直接C。

最后一部分完成无人机遥测。第一个遥测手动连接是用来控制飞机。这是一个商业远程通过2.4 GHz“叶T14SG”和沟通。通常,手动控制稳定的“基本控制器”横滚和俯仰轴。完全控制没有任何控制器是可能的但不推荐,因为高需求的飞行员。因为商业遥测连接,因此有限使用,第二个连接“Telit le70 - 868”是安装在印刷电路板(图2)。这个范围,因为更高更好的天线和一个868 MHz的频率。飞机的天线连接机身底部的一面(见图1)。通过这种连接,可以控制无人机。这包括的可能性(i)监测传感器和无人机状态,(2)设置控制器,与图(3)验证结果,(iv)设置不同的飞行模式,(v)启动或停止自主导航模式以及飞回家的功能。这个紧凑的地面控制站10触摸屏和通过5 V USB电源提供。

3所示。控制器和一个自动驾驶仪的设计

实现传感器永久供应单位μC明确航班信息的态度,角速度,空速,水平速度,以及空气压力、湿度、温度和当前GNSS的位置。单个传感器的采样率设置为适当的值。例如,GNSS传感器的采样率是上面提到的设置为10赫兹。乌兹别克斯坦伊斯兰运动传感器被设置为33.3赫兹。单个传感器的精度和可靠性最高的汽车工业可以被认为是安全,因为需求的测试。在选择每一个传感器,可靠性,受到重视的传感器数据影响个人控制,因此飞行行为。

开发一个合适的自动驾驶仪固定翼机身,有必要知道飞机的推进特性。可用的传感器数据,识别过程可以被执行。与知识过程的参数,选择合适的控制算法和调整。过程识别提出了图的一个例子4,它显示了一个纵轴的阶跃响应。

图4(一)显示了一个跳跃函数这刺激的过程。偏转被估计为50度,曲线开始离开了。测量阶跃响应当时相比不同的微分方程的数值优化。一个过程的行为显示最好的协议,在图所示4 (b)。一个传递函数为纵轴计算如下(方程(1)):

纵轴的过程行为反映了二阶振荡系统。知识过程的行为,创建一个控制器合成基础,稍后将详细讨论。横向和垂直轴的行为类似地进行。结果是一个微分方程(2二阶的):

几个步骤和斜坡响应记录在工作点的航班。工作点,在这种情况下,飞机的稳定位置。没有发现在纵向和横向轴偏转(0°)。小和大信号行为是一个重要因素来重建一个现实的模型。然后,小跳后被记录和分析来确定过程的行为。

工作时的飞机在空中的物理行为,相互耦合的轴被注意到。例如,如果机体在纵轴滚动,一会儿在横轴也生成。从横向耦合轴,纵轴无法证明,这将在稍后证实。为了反对这些耦合效应,在这些领域也进行了一些测试和集成到控制器算法。耦合和分离结构的横向和纵向轴图所示5。

在图5、横向和纵向轴及其耦合右边所示。如果存在一个耦合系统,设计解耦控制器也可以。与知识完整过程的行为,一个合适的控制回路系统可以那么发达。

一个控制器结构被选为横滚和俯仰控制器的传递函数。是一个简单的解耦系统 - - - - - -控制器。的控制器寄存器控制非线性系统的优势,可以很容易地集成到嵌入式系统。在程序代码来实现控制器,控制器必须首先描述了数学。的结构控制器在频域图所示6。

的一般符号控制器适用于以下方程:

对于C代码的实现,传输的功能控制器必须转化为差分方程。要做到这一点,必须首先转变为传递函数面积利用转移规则(方程(4))(36]:

这是紧随其后的是变回原形为时间域:

这个方程可以在单片机中实现。在这里,代表当前控制器输出变量前面的输出变量。为了确保监管机构不溢出的有效组成部分,飞机不可控在最坏的情况下,一个额外的antiwindup限制了。

控制算法和传感器技术,实现个人机体的控制回路关闭轴。封闭的控制回路图所示7。

与传统的遥控器,飞行员提供了一个命令变量形式的脉冲宽度。这个接收器检测到脉冲宽度的飞机和传送到单片机。然后程序代码允许脉冲宽度转换成一个角度。例如,对于一个最小/最大左/右操纵杆偏转,-50°的角度偏转辊控制器计算/ + 50°。

最小/最大角可以定义的源代码本身。引用变量,因此指定,而乌兹别克斯坦伊斯兰运动的角度传感器和传递给控制器算法作为一个控制的区别。该控制器可以计算一个操纵变量来引导飞机所需的位置。在这种情况下,基本控制器包括一个横滚和俯仰控制,确保飞机在空气中稳定。如阵风干扰应与该控制器补偿系统。使用该算法,飞行员可以永久设置一个命令变量及其所需的飞行行为。

关闭控制回路的实现后,仍有必要定义控制器参数。这些参数的确定可以通过不同的方法来执行。由于知识过程的行为,采用数值优化设计为了找到一个特别的全球最低质量函数定义。质量函数可以定义根据能源消耗,速度,和另一个行为。在我们的例子中,重点是放在快速控制与尽可能少的过度控制变量。过头,不过会出现由于外部干扰如阵风。因此,方程(后二次优化方法6)[36]:

方程(6)描述了质量函数,该函数计算的积分控制偏差( )和输出变量( )。的参数和代表的因素考虑每个部分的质量发生了多大的重量。如果用户想要获得较小的差异控制偏差,参数应该增加。这质量是最小化通过数值优化。这意味着控制偏差和输出变量应该保持到最低限度。在大多数情况下,这些都是互相矛盾的声明。如果控制偏差必须减少,更多的能量必须应用的控制器,从而导致增加能源消耗的输出变量。

数值优化辊控制导致控制器设置(见表1)。

在图8、横滚和俯仰的调试控制器。在仿真中,这些控制参数可以适应不同的飞行场景。这些参数是在C代码中实现。通过一个地面站,参数可以调整之后,还在飞行。通过模拟封闭的控制回路,控制参数可以计算,随后进行调试。稳定控制的调试是一个重要的步骤,这是飞机控制的最重要的组成部分。图8显示了控制横滚和俯仰控制的行为。

飞机的动力学是强烈依赖于速度相对于机身的空气。在图8,飞机的速度是72公里/小时。空速尚未规范当前状态的自动驾驶仪,飞行员必须手动控制。根据图的基本控制器的调试7成功地进行了。已经显示在图5,从纵轴的横向轴耦合,而不是相反。第一次试飞后,解耦 - - - - - -控制器实现。在图9,控制器行为被描述。

向左或向右曲线,俯仰角度偏转,必须纠正。如果螺旋角偏转,横摇角不受影响。

为了能够控制速度,当然,和高度的封闭控制回路图7必须扩展。所需的多变量控制使用一个串级控制回路实现。在图10,显示了扩展控制回路串级控制回路。

详细描述了级联调控之前,有必要处理飞行路线和主要元素进行。用户可以提前计划所需的飞行路线使用地图软件。根据软件,可以配置不同的参数对飞行。默认的输出参数与相应的地理点高度的机身应该乘飞机去。点是存储在SD卡和飞行前连接到单片机。导航系统读取SD卡并将GNSS列表存储在单片机的flash。如果开启导航控制,模块计算过程是飞到下一个导航点。此外,飞机的导航系统计算的距离下一个点。如果飞机是在一个定义的ε区域,目标被视为达到和下一个位置是靠近。在紧急情况下,飞行员飞行时可以设置不同的课程,并优先于导航系统。

所需的课程是这样设定的飞行员或导航系统作为一个命令变量,然后与当前的飞机。区别在传递给自动驾驶仪,而计算必须偏转副翼和方向舵在多大程度上把飞机所需的课程。自动驾驶仪也计算所需的空速飞行飞机效率。自动驾驶仪是由4命令的输出变量:空速,滚,音高,飞机的航向角。内部基本控制器从图7包括扩张后的航速和航向控制。控制这些影响,GNSS皮托管,IMU传感器是必要的。

当设计串级控制系统,护理是确保内部控制回路设计快,而外部控制回路确保静止的准确性。这条规则必须遵守保持整个系统控制和稳定。如果内部控制太慢,所需的控制质量将无法实现。控制器是一个 - - - - - -控制器和一个高度控制器 - - - - - -监管。此外,有必要注意控制器循环中的多个组成部分。例如,高度控制器应提供音调控制器的控制变量。音调控制器将调整电梯造成横向轴运动。第二个订单的过程,因此振动的能力。为了不刺激振荡的过程,音调控制器中的积分组件被删除,随后,在高度控制器实现。

课程和高度控制是第一个投入运营。指定的速度是空运还是飞行员和在大多数情况下达到65 km / h。因为这是一个振动系统,它是决定不同时操作多个控制回路。关于计算的计算时间和所需的飞行高度,约。是测定540微秒。第一测试机身应该飞一个广场,它定义了四个导航点。所需的高度大约是360绝对高度。测试领域是300米高,代表一个相对60米的高度。在图11,四个导航点的广场。这四个点之间的指挥方式也吸引了。

串级控制回路能够控制机体从一个导航点到另一个。每次机身达到ε地区当前的目的地,导航系统调用下一个机身对GNSS点。如果机体完成路线,用户有两种可能:(i)重复的路线或(ii)飞回国内。用户自己生成主的位置。这个测量是15米的ε环境和可以修改软件。飞行路线的计划进行时,最小和最大可能的曲线半径必须考虑,这样飞机就可以达到个人分。如果没有达到一个导航点,飞机再次转过身来,试图飞这一点。减少转弯半径和小飞,舵与辊可以混合控制器。舵是另外与每个操作。

在当前的例子中,也明显的图(11日)一个恒定的风从东北流到飞机和偏转。控制算法对这并相应调整控制变量。在图11 (b),它可以指出,当引用变量变化时,飞机已达约后静止的最终值。2.5秒,所需的课程。由于提到扰动引起的风力影响,控制有最小的过激行为。以达到所需的预定的飞行高度,高度控制器影响音调控制器,调整电梯。这种调整是不够的,如图12。

这是因为飞机的空速对电梯有重大的影响。已经告诉过,风影响导致空速大跳跃。如果飞机太快,高度会自动增加当飞机是在一个中立的立场。为了能够控制高度可靠和精确,速度还必须被控制。

4所示。结论,挑战,未来的研究

本文的硬件设计和固定翼飞机的控制系统跨度为1.6 m。一个高质量的传感器系统是至关重要的选择。的后续实现组件进行嵌入式系统的编程语言“C”。随后,过程的识别进行了固定翼飞机和仿真是在此基础上创建的。因此,一个耦合系统的识别和后续的分离。稳定控制的纵向和横向轴是飞机。通过二次和数值优化,重点放在最小的可能的偏差控制的区别和操纵变量。所需的控制算法实现的程序代码,可以使用的控制参数实时适应外部环境。成功的调试后,实现控制系统扩展到一个串级控制系统,使多变量控制。因此,标题的控制的基础,高度,空速。飞行的路线定义成功测试,开启控制器的行为在实验室研究。

速度控制的调试为未来的调查仍悬而未决。这个控制系统也应该启用所需的飞行高度设置更好。在未来,它应该可以测试控制器算法在其他飞机和额外的传感器如雷达和激光雷达集成到飞机。另外,我们想要改变的GNSS传感器计量单位与外部天线和一个内部电池。电池确保传感器可以立即启动。随后的测试将被执行证明传感器数据质量的提高。设计了自动驾驶仪的主要优点是低成本,高品质的硬件,可能实时调整控制特点,和飞行员和飞机之间的通信通过一个地面控制站。在自治系统的有效性验证航班的固定翼飞机和在实验室进一步优化。

数据可用性

使用的数据来支持本研究的发现可以从相应的作者。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

确认

这项研究工作受到了“欧洲区域发展基金”(EFRE)环境目标“投资在经济增长和就业”(IWB)在莱茵兰-普法尔茨州,德国。