固定翼无人机飞行姿态检测和控制设计 |
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记录:云端与互联 信息记录材料 2020年2月 第21卷第2期 216 在科学技术不断发达的进程中,无人机自身具有的气 动结构布局逐渐完善,飞控技术也得到较大进展,在无人 机飞行控制的时候,关键是无人机姿态控制的相关设计, 也就是控制律。无人机飞行轨迹控制和姿态控制属于无人 机飞控系统的两个方面,只有加强姿态控制才可以促使无 人机飞行轨迹得到有效控制,因此也可以充分说明姿态控 制律设计是轨迹规划的主要基础。飞控系统是无人机的核 心内容,而姿态控制系统则属于飞控系统的核心,因此无 人机飞行姿态控制律在设计的情况下,这也就成为关乎其 控制结果的重要内容。在新技术发展的基础上所出现的新 控制理论和控制算法,新理论可以比较轻易的解决以往无 人机设计方面所具有的技术难题,有效解决以往固定翼无 人机飞行控制理论问题 [1] 。 1固定翼无人机飞行姿态检测 保持姿态稳定属于飞控设计关注的重要问题,飞控 系统能够推动飞机的姿态和速度都保持在规定范围内, 这一功能是在舵机的基础上具体实现的,其本身属于一 块电机,飞控系统通常被安装在一个装置内,舵机开始 工作的重要标志也可以出现明显转动的现象,而舵机转 动的参数为转动力矩参量。无人机飞行姿态和速度调整 的情况下, 主要是在舵面状态情况观察的基础上实现的, 而舵面的状态则通常情况下是由舵机提供旋转力矩加以 控制的,也就是说舵机的旋转控制无人机明确呈现和展 示的姿态和速度。有舵机能够控制机体的运动情况,推 动传感器及舵机系统和机体组成闭环控制回路,从而使 得系统能够在这一情况下得到稳定运行。飞行姿态主要 有无人机飞行时的姿态角及飞行高度和速度等相关的衡 量指标 [2] 。传感器的组成部分主要存在着陀螺仪和磁传 感器及控制电路等,其中陀螺仪的作用是可以充分感知 无人机所存在的飞行姿态角度,磁传感器在无人机的航 向信息检测的基础上充分应用加速度计有效检测飞行的 具体速度,G P S 感知其其包含着的实时位置信息。无人 机本身是比较典型的多通道和多输入多输出存在着复杂 化特点的系统, 其能够实现自主安全飞行存在直接影响, 由于无人机通常需要能够有效完成多种飞行任务,因此 无人机的飞控系统也就要满足更高的要求。 首先是姿态可控,在实施三个姿态角通道的控制回路 设计的基础上得出相对应的控制律,随后输出给舵机,使 舵机可以得到必要转动,控制无人机的飞行姿态。使得三 个姿态角在 10s 内可以充分达到飞行的期望值,且滚转角 和俯仰角的误差也要能够更好地控制在 0.2°范围内,航 向角误差则要控制在 1°之内。其次是高度可以控制,在 设计飞行高度控制律的基础上有效使得飞机在执行飞行任 务的过程中明确其飞行高度是可测可控的,且能够在较短 的时间内使得飞行高度会出现一定变化,且推动其高度能 够在 10s 内达到期望值,误差则要控制在 0.5m 内,从而 有效完成无人机的飞行任务, 使得其保证在安全范围内 [3] 。 随后是航向可控,设计飞机飞行方向通道所包含有的控制 律,使飞机能够根据指令完成转弯飞行的任务,最后是无 人机的速度可控,在飞行速度控制回路设计的情况下,能 够使得无人机实现匀速和加速及减速操作,将其误差控制 在 0.2m/s 内。 2无人机飞行控制系统设计任务和原则 无人机的飞行控制系统设计主要包含着硬件和软件两 个部分内容,软件是控制电路板设计,而软件则主要是指 自动驾驶仪中控制程序和地面站软件等方面的设计。 2.1 硬件系统设计任务和原则 硬件系统的设计任务是能够设计得到集各种传感器和 控制器为一体的控制电路板,电路板上包含着电源模块和 控制方式选择电路及输入信号采集通道、接口电路、传感 器信号转换电路、输出通道等。其中电源模块为电路板提 供比较稳定的电力输入,使得各个元器件能够保持正常运 行,控制方式选择电路的时候需要根据安全可靠的要求, 促使控制方式在硬件电路的基础上选择遥控和程序控制方 式。 输入信号采集通道主要是获取遥控器发送的 PWM 信号, 而接口电路则主要是串行数据通讯口,传感器信号转换电 路包含着模拟端输入电路与模数转换电路等,输出通道多 数情况下是用于输出控制舵机的 PWM 信号中。在设计硬件 电路的时候需要严格遵守工程化设计流程,硬件系统设计 的时候需要具备前瞻性的特点,不仅要满足当前的性能要 求,也要促使其之后的扩展及不断完善提供一定空间,元 器件选型的时候也要考虑其性能及功耗等方面问题,争取 在满足系统性能要求的基础上降低功耗 [4] 。 2.2 软件系统设计任务和原则 软件控制系统的设计任务主要有自动驾驶仪控制程序 和地面站软件设计等方面内容,自动驾驶仪中的控制程序 固定翼无人机飞行姿态检测和控制设计 成志勇 (广州市白云工商技师学院 广东 广州 510450) |
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