第28卷第21期农业工程学报V ol.28No.21 1642012年11月Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering Nov.2012
基于DSP的小型农用无人机导航控制系统设计
陈天华，卢思翰
（北京工商大学计算机与信息工程学院，北京100048）
摘要：为适应农业信息化要求，针对农业用小型无人机要求体积小、质量轻、稳定、可靠、低空低速飞行的特点，该文提出了一种小型无人机导航控制系统，其导航控制与数据采集采用单独DSP芯片进行处理，以降低导航控制系统的复杂度。系统以TMS320F2812芯片为核心，集成了GPS、红外传感器和电子罗盘，并扩展了DSP 芯片异步串行通信接口，保证了数据通信的实时性、完整性和可靠性，实现了无人机的自主导航控制。飞行试验表明，该设计方案具有较高的可靠性。该研究可为农业用小型无人机的设计与应用提供参考。
关键词：无人机，数字信号处理，导航，飞行控制系统
doi：10.3969/j.issn.1002-6819.2012.21.023
中图分类号：TP319;S25;V249.1文献标志码：A文章编号：1002-6819(2012)-21-0164-06
陈天华，卢思翰.基于DSP的小型农用无人机导航控制系统设计[J].农业工程学报，2012，28(21)：164－169.
Chen Tianhua,Lu Sihan.Autonomous navigation control system of agricultural mini-unmaned aerial vehicles based on DSP[J].Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering(Transactions of the CSAE),2012,28(21):164－169.(in Chinese with English abstract)
0引言
导航与制导是无人机的核心与关键技术[1]。传统民用小型无人机控制主要采用单片机完成，其主要缺点是数据处理能力不足、实时性差，通常只能完成单一或相对简单的任务[2]。微电子技术的快速发展拓展了无人机的应用领域，近年来，无人机在农业、气象、灾害监测和军事等方面得到了越来越广泛的应用[3-4]。王斌等[2]应用DSP芯片设计了小型无人机控制机载电子设备，范卫刚等[5]、谷新宇等[6]实现了双DSP和GPS的无人机导航系统。新技术的应用提高了无人机的导航性能，但上述小型无人机导航与控制主要沿用了军用无人机的设计技术，通常采用了GPS、惯导等组合导航技术，无人机质量和成本相对较高。而无人机用于执行农业生产和监测任务，要求无人机具有多用途、实时数据传输、导航准确可靠等特点，并具有低成本、体积小、质量轻等特点。为实现上述要求，本文提出一种基于多DSP芯片的无人机导航实现方案。
1系统整体结构
小型无人机由于体积小，适合于应用GPS方式
收稿日期：2012-03-13修订日期：2012-08-20
基金项目：北京市教委科技创新平台项目（编号：201151）；北京市教委科技发展计划面上项目（编号：201010011002）
作者简介：陈天华（1967－），男，湖南长沙人，教授，主要研究领域：信号与信息处理、自动化及计算机测控等。北京北京工商大学计算机与信息工程学院，100048。Email:cth188@https://www.doczj.com/doc/407116894.html,
导航[6]。农业用小型无人机设计应综合考虑成本与价格、质量与体积、可靠性与起降性能等多方面因素，本系统采用GPS定位、电子罗盘、航程推算、无线电导航相结合的综合导航方案，可实现自主导航，并具有较高的可靠性。
1.1无人机总体结构
无人飞行器整体结构包括机身、机载电子设备（导航与姿态控制等）以及起降辅助系统等[7-8]。农业用无人机对飞行器的要求不亚于小型无人侦察机。首先，小型无人机需要有尽可能大的载重比，以保证导航与控制、信息采集和能源系统的携带[9]；其次，外形设计应合理，确保飞行安全和稳定，对各种气候条件有较好的鲁棒性和适应性；第三，有效空间和有效载荷大、结构强度高、耐使用、耐磨损；第四，起降系统应具有良好的场地适应性[10]。
根据上述要求，飞机总体结构采用上单翼、上反角、大舵面、前置发动机，对俯仰、滚转、偏航(PRY)3个自由度设置控制面，飞行器设置水平尾翼、垂直尾翼、副翼和襟翼，实现精确控制。机身长1390mm、翼展1500mm、升力面积0.39m2、发动机采用46级二冲程甲醇内燃机，4个标准舵机，PCM1024数字比例遥控。同时，为提高场地适应性，设计弹射起飞系统和伞降着陆系统实现无人机的起降，以适应小型无人机在不同农场使用。
1.2导航控制系统结构
根据无人机应用于农业的特点，导航系统与GPS、地面监测站和任务系统之间需进行大量通信，
第21期陈天华等：基于DSP 的小型农用无人机导航控制系统设计
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数据量大、对实时性要求高[11]。为满足实时通信要求，减轻单个CPU 的计算量，降低各子系统及导航控制系统的复杂度，本系统将姿态控制与数据采集、导航控制和飞控系统分开，采用不同DSP 芯片完成，从而提高计算速度和飞行可靠性[7,12]。导航系统结构如图1所示，主要由F2812芯片1、F2812芯片2、飞控CPU 3
组芯片及外设扩展组成。
图1导航控制系统结构图
Fig.1
Block diagram of navigation control system
F2812芯片1完成的主要功能包括与GPS 、电子罗盘、无线电系统、红外传感器等进行通信，获取飞机的各种姿态和位置信息。F2812芯片2主要承担导航计算，它与F2812芯片1之间需进行高速数据交换，因此选用IDT70V27双口RAM 作为芯片1和芯片2的数据缓冲存储器。70V27的最大优点是可实现存储数据共享，一个存储器配备2套独立的地址、数据和控制线，允许2个独立的CPU 或控制器同时异步访问存储单元。
F2812芯片1接收GPS 、红外、无线电遥控和电子罗盘等信息，进行信息处理，完成相应计算后，将任务指令传递给任务系统，将数据处理结果、定位信息和红外姿态信息传送给70V27，F2812芯片2根据导航需要随时读取其中的数据，F2812芯片2根据GPS 数据信息及其他相关数据进行导航计算，发出导航控制指令，并将姿态信息传送给地面站。
2硬件设计
本文将数据采集和导航计算分开设计，因此，导航控制系统主要由CPU1、CPU2及其相关外设组成。系统硬件设计的关键是2812芯片1和GPS 、F2812芯片1和2812芯片2之间的接口设计。
F2812包括2个UART 异步串口和一个SPI 同步串口[13]。一个SCI 串口（UART ）用于接收地面遥测数据，另一个用于与任务系统通信。UART 异步串口的中断级别较低，容易被其他系统或外设中断，为了提高其中断级别并简化系统设计，采用容量为64字节的TL16C752外扩串口收发芯片接收GPS 信息。F2812之间采用IDT70V27进行接口，完成数据通信。
2.1TL16C752功能与作用
16C752芯片是TI 公司新推出的16C75X 系列的常用串口收发芯片。该芯片与ST16C552引脚兼容，内置2个UART ，可独立工作，具有容量为64字节的发送/接收FIFO ，其收发FIFO 的触发等级可采用软件编程，从而可减少CPU 的中断次数[9]。16C752具有硬件流和软件流2种控制模式，硬件流控制模式可通过设置RTS 和CTS 引脚及相应的寄存器实现，软件流控制模式可通过编程实现。2.2接口电路设计
F2812芯片的输入引脚电平为TTL 电平，输出引脚均为3.3V CMOS 电压，而16C752芯片的电压为3.3V ，因此，可以直接与F2812接口连接，与F2812之间通过70V27进行连接，其接口电路如图2所示。70V27双口RAM 芯片的作用是实现2个DSP 之间的通信，其左边的BUSYl 引脚和F2812芯片1READY 引脚连接，右边的BUSYr 引脚和F2812芯片2READY 引脚进行连接，实现F2812芯片1和芯片2
可数据共享和数据通信。
图2F2812与16C752、70V27接口设计
Fig.2
Interface circuit of F2812,TL16C752and IDT70V27
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F2812芯片1的低8位XINTF 数据线（D0-D7）与16C752数据线DB0-DB7进行连接，16C752的片选信号CS 与F2812的ZONE0引脚相连，其对应的寻址空间为2kb ，F2812的低3位地址线A0-A2与16C752的地址线直接相连，16C752芯片的复位由F2812进行控制，F2812在进行初始化时对16C752进行复位控制，这样既保证了对16C752复位的可靠性，又节省了开销，虽然16C752带有时间系统，为确保晶振的工作稳定可靠，其时钟采用1.8432MHz 有源晶振。
GPS 采用RS232接口，而16C752为UART 接口，因而采用MAX3232进行UART 与RS232之间的电平转换。MAX3232采用3.3V 供电，可直接与16C752相连。MAX3232接口电路如图3所示，图中各电容值均为0.1μF
。
图3MAX3232接口电路图Fig.3Interface circuit of MAX3232
硬件电路设计及系统调试时应特别注意，若F2812与16C752的复位连接在一起，可能导致系统启动时出现异常，应避免[14]。此外，PCB 板设计应根据功能进行分区，统筹元器件布局，并采取滤波、隔离和屏蔽等措施，以减小电磁干扰，提高系统可靠性，实现自主导航。
3导航系统数据通信
导航系统的信号处理主要包括GPS 、电子罗盘、红外及无线电信息采集、坐标转换及任务执行等。无人机执行飞行任务前需将航点与任务点坐标、航点/任务点半径、允许飞行高度等飞行数据存入F2812的Flash [15]。3.1GPS 数据格式
本系统采用GARM IN 型GPS 芯片通过RS232接口与外部设备进行数据交换，该芯片可同时接受12颗GPS 卫星信息，每秒更新一次数据，可以输出GPGGA 、GPRMC 、GPG2SA 、GPGLL 、GPGSV 等格式GPS 信息。GARM IN 的GPS 数据遵循标准的NMEA0183协议，即ASCII 码信息。小型无人机应用于农业，无论是进行病虫害监测、喷洒农药
或者监测土壤水分等，在其定位与导航应用中，均
需接收无人机的经纬度位置坐标、时间和速度等信息，这些数据信息都包含在GPGGA 格式的语句中，数据格式为：＄GPGGA,<1>,<2>,<3>,<4>,<5>,<6>,<7>,<8>,<9>,<10>,<11>,<12>*hh
表1GPS 数据格式表Table 1Data format of GPS
序号数据格式序号数据格式1hhmmss(时分秒)格式7定位星数2纬度ddmm.mmmm 格式
8HDOP 水平精度因子
3纬度半球N 或S 9海拔高度4经度dddmm.mmmm 格式
10地球椭球面相对大地水准面的高度
5经度半球E 或W 11差分时间6
GPS 定位状态，0未定位；
1非差分定位
12
差分站ID 号
GPS 的输出数据包括无人机所在位置、速度和时间，GPS 和卫星状态，差分参考站ID 等[16-19]。全部语句以
GPS 采用ASCII 码格式接收信息，其每一帧数据的长度并不固定，尽管采用了16C752外部扩展芯片，但并没有使用FIFO 进行中断接收，而是采用接收到字符即产生中断的机制，因此，FIFO 仅起到了缓冲作用。在GPS 接收中断时，判断是否收到数据帧的头部（帧头），若帧头得到确认，则将随后接收的数据先存入缓冲区，直到检测并收到帧尾，然后进行其他数据处理。每收到一帧数据后退出中断，进行校验和GPS 数据解码，并进行GPS 信息更新。处理数据时以逗号为分界点，逐个将字符信息转换为数值，获取无人机经纬度位置坐标、时间和速度等信息。导航系统接收GPS 信息的过程如图4所示。
GPS 接收数据、帧头帧尾的判断是在中断件下执行的，收到完整一帧后的校验、判断和处理在非中断下进行。中断条件下确认读取一帧之后，置位接收整帧标志位、清零帧头收到等标志，然后进行解码计算。在非中断条件下，循环检测整帧收到标志位，清零整帧收到标志位，然后调用解码程序。为保证无人机GPS 数据的完整与准确，防止丢帧及误码，应进行数据校验再解码。
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图4GPS数据处理流程
Fig.4Data processing flow of GPS
3.3红外姿态控制
无人机姿态控制可采用陀螺与角速度传感器组或红外传感器组等多种方案。由于农业小型无人机的体积及质量因素，本系统采用红外姿态传感器进行姿态（即俯仰、横滚）控制。红外飞行姿态控制系统主要由红外传感器组及信号调理部分组成。由于地面红外辐射强度远大于空气辐射强度，根据这一基本原理，采用一对反向安装的红外传感器即可确定一个轴向相对于地平面的倾斜度[7]。在无人机前、后、左、右4个垂直位安装传感器，测量2对传感器之间的红外辐射强度信号差作为横滚、俯仰两轴向的稳定性控制依据。
3.4无线电、电子罗盘通信
无线电通信数据量大、速率高，为了减少单字中断接收引起频繁中断，降低系统的中断负荷，利用F2812串口自带的16字节FIFO进行中断接收。为避免被更高级中断打断而造成接收差错，设置FIFO8字节中断接收，其余8字节作为缓冲应用。
电子罗盘采用串口输出NMEA0183格式导航信息，电子罗盘串口为RS-232电平，与系统间的通信通过MAX3232进行电平转换。进行正常数据采集时，系统先采集GPS数据，进行格式转换，再切换至电子罗盘进行同样的处理，从而得到飞行状态判断所需的有效数据，进入导航计算。
3.5飞行试验
小型无人机导航系统试验主要有仿真和实际飞行2种方法[1,6]。本文采用仿真和实际飞行验证了导航系统的可靠性。图5为无人机导航系统仿真验结果，S为无人机的飞行起点，虚线为预设的无人机矩形飞行航线，区域经纬度坐标为A(116°10'26.35"E，39°43'21.67"N)，C(116°11'3.57"E, 39°43'6.98"N)
，实线为本小型无人机轨迹。
图5无人机飞行航迹图
Fig.5Flight trajectories diagram of UAV
本小型无人机经历了先后两代机的研制，完成研制后在房山区良乡等地共进行了51次飞行，在风速小于1.5m/s微风状态飞行了17次，风速1.5～4m/s飞行了26次，风速4～6m/s飞行了8次。飞行高度约50～100m。飞行测试的内容包括起飞、降落、数据通信及导航精度测试。每次飞行前设定航点坐标，在各次飞行中，导航系统工作稳定，能按预设飞行区域进行飞行，根据GPS信息，位置误差主要发生在航线变化处，51次飞行，目标点平均位置偏差为?8.2～12.2m。飞行试验中未出现数据传输错误，没有发生机械和电子故障，无人机表现出良好的性能，具有较高的飞行可靠性，同时，实现了弹射起飞和伞降，起降性能良好，较好地完成了飞行任务。
4结论
根据农业用小型无人机的特点和任务需求，将GPS及姿态等信息采集与处理、导航控制、飞行控制设计为相对独立的系统，由不同的DSP芯片分别实现姿态数据采集、处理和导航计算，有效降低了
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导航系统的计算复杂度。本无人机共进行了51次飞行试验，结果表明，系统实现了实时通信和数据处理，导航精度高，能按预定航线飞行，实现了小型无人机的自主导航及飞行控制，同时，由于设计了弹射起飞系统和伞降系统，无人机对起、降场地要求较低，可广泛应用于农业领域，提升农业信息化水平。
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第21期陈天华等：基于DSP的小型农用无人机导航控制系统设计169 Autonomous navigation control system of agricultural mini-unmaned
aerial vehicles based on DSP
Chen Tianhua,Lu Sihan
(College of Computer and Information Engineering,Beijing Technology and Business University,Beijing100048,China) Abstract:In order to enhance agricultural informatization,and according to the requirements of mini-unmaned aerial vehicles(UAV)for agriculture use with features of small size,light weight,stable,reliable,low speed and low altitude,a mini-UAV which using a respective DSP for navigation control and data collection was developed to reduce the complexity of navigation control system.The UAV uses TMS320F2812as a core chip which integrates GPS,infrared sensor and electronic compass.The chip also expands the F2812chip asynchronous communication interface.All of these designs ensure the real-time,integrity and reliability of data communication, and can achieve the independent autonomous navigation of UAV.The flying experiments of the UAV showed that the design had high reliability.The research can provide a reference for the design and application of agriculture-used UAV.
Key words:unmaned aerial vehicles(UAV),digital signal processors,navigation,flight control systems
无人机喷洒农药控制系统设计 陈爱国 （泰州学院，江苏泰州２２５３００） 摘 要：农药喷洒采用无人机技术能减少环境污染、提高喷洒效率。现对无人机的控制量进行重点设计，使无人机能够精确跟踪无线指令，满足现代农业对农药喷洒的需求。 关键词：多旋翼无人机；农药喷洒；控制系统；设计 ０ 引言 我国是农业大国，其农药喷洒主要由人工完成，这种方式 已经严重威胁到工作人员的身心健康，且对农药的利用率低。无人驾驶飞机ＵＡＶ（ＵｎｍａｎｎｅｄＡｅｒｉａｌＶｅｈｉｃｌｅ）是近年来发展比较快、在很多领域都有应用的一种新技术装备，在农业生产中使用多旋翼无人机技术进行农药喷洒作业有独特的优点，比如作业高度低、定点定向喷洒、解放人力、效率高、维修成本低等，特别是旋翼产生的涡流，可以使农药喷雾更好地附着在农作物上，提高农药防治病虫害的效率。 １ 总体设计 无人机结构简单 、维修方便，其控制系统一般采用模块化设计，总体结构如图１所示。 图１ 系统组成框图 多旋翼无人机的结构比较复杂，它需控制６个自由度，需 要利用精度高的传感器和精确的姿态数据。与无人机通讯采用无线方式，主要控制旋翼电机，控制电机的信号一般采用ＰＷＭ波形即可，输出给电子调速器。 ２ 硬件设计 硬件的选择较为关键，在系统设计时需充分考虑微处理器的数据处理精度和浮点运算能力、传感器型号、各类芯片级联电平的匹配等问题。比如微处理器采用ＳＴＭ３２Ｆ４２７ＶＩＴ６，集成加速度和三轴陀螺仪的ＭＰＵ６０００芯片，电子罗盘采用ＨＭＣ５８４３芯片，气压传感器采用ＭＳ５６１１芯片。在无线通讯时，直接采用ＰＰＭ（ＰｕｌｓｅＰｏｓｉｔｉｏｎＭｏｄｕｌａｔｉｏｎ）方式对控制系统进行信号的控制，为了更好地控制无人机姿态，还需采用超声波测距模块，用来锁定无人机的高度。 硬件系统结构设计如图２所示，无人机运行时，旋翼电机产生的电流较大，且无人机姿势不断变化，其控制电流随之变化，会产生电磁干扰，造成通讯控制信号出错， 特别是超声波测距模块与控制芯片不能直接级联，需要进行电平转换， 如图３所示。 图２ 硬件系统结构图 图３ 电平转换电路 为了防止旋翼电机在姿态变化时，反向电压通过电子调速 器反馈给微处理器，可能造成电压过大烧毁器件，需要加接隔离电路。同时为了有效控制电机转速，采用高频ＰＷＭ 信号控制电机转速，更需要隔离电路，如图４所示。 图４ 隔离电路 ３ 软件设计 软件程序设计，必须满足无人机喷洒各种控制要求，主要 包含三大部分：第一，需要考虑无人机与遥控器之间的通讯联系，特别是各种姿态控制量发生变化时，无人机能及时响应，若发生通讯异常，一般采用中断程序来判断，执行中断后，无人机能执行既定程序并报警；第二，输入信号捕获，（下转第１１５页）
2.1 ARM-Cortex M4架构 ARM-Cortex M4 架构： 无人机控制系统可以采用基于ARM系统架构的嵌入式处理器来实现，本次 重点基于ARM-Cortex M4架构的无人机飞控系统。 ARM是32位嵌入式微处理器的行业领先提供商，到目前为止，已推出各 种各样基于通用体系结构的处理器，这些处理器具有高性能和行业领先的功效，而且系统成本也有所降低。 基于ARMv7架构以上的Cortex系列主要分为A（应用处理器）、R（实时 处理器）、M（微控制器）三大应用系列。其中Cortex-M系列处理器主要是针 对微控制器领域开发的，在该领域中，既需进行快速且具有高确定性的中断管理，又需将逻辑门数和功耗控制在最低。Cortex-M处理器是一系列可向上兼容 的高能效、易于使用的处理器，这些处理器旨在帮助开发人员满足将来的嵌入 式应用的需要。这些需要包括以更低的成本提供更多功能、不断增加连接、改 善代码重用和提高能效 ARM-Cortex 的特点： 更低的功耗：以更低的 MHz 或更短的活动时段运行，基于架构的睡眠模式支持，比 8/16 位设备的工作方式更智能、睡眠时间更长 更小的代码（更低的硅成本）：高密度指令集，比 8/16 位设备每字节完 成更多操作，更小的 RAM、ROM 或闪存要求 易于使用：多个供应商之间的全球标准，代码兼容性，统一的工具和操作 系统支持 更有竞争力的产品：Powerful Cortex-M processor，每MHz 提供更高的
?Cortex-M4是一个32位处理器内核 ?内部的数据路径是32位的，寄存器是32位的，存储器接口也是32 位的 ?采用哈佛架构 ?小端模式和大端模式都是支持的 ?Thumb指令集与32位性能相结合的高密度代码 ?针对成本敏感的设备Cortex-M4处理器实现紧耦合的系统组件，降低处理器的面积，减少开发成本 ?ROM系统更新的代码重载的能力 ?该处理器可提供卓越的电源效率 ?饱和算法进行信号处理 ?硬件除法和快速数字信号处理为导向的乘法累加 ?集成超低功耗的睡眠模式和一个可选的深度睡眠模式 ?快速执行代码会使用较慢的处理器时钟，或者增加睡眠模式的时间?为平台的安全性和稳固性，集成了MPU（存储器保护单元） ?Cortex-M4内部还附赠了好多调试组件，用于在硬件水平上支持调试操作，如指令断点，数据观察点等 ?有独立的指令总线和数据总线，可以让取指与数据访问并行不悖 2.1.3 基于ARM Cortex-M4 内核的微控制器 ARM Cortex-M4内核是微控制器的中央处理单元（CPU），配合外围设备模块和组件，形成完整的基于Cortex-M4的微控制器。在芯片制造商得到Cortex-M4处理器内核的使用授权后，它们可以将Cortex-M4内核用在自己的硅片设计中，添加存储器，外设，I/O以及其它功能块。不同厂家设计出的单片机会有不同的配置，包括存储器容量、类型、外设等都各具特色。由于基于统一的内核架构，事实上本书后面所介绍的飞控软件和算法虽然已ST的 STM32F407为基础，它们是很容易移植到其他公司的同内核平台芯片上的，很多与外设无关的代码部分不需要任何改变即可移到其他平台上，仅需要关注外围设备相关部分的驱动代码。 ?飞思卡尔（现并入恩智浦）基于ARM Cortex M4内核的Kinetis K60微控制器系列。Kinetis微控制器组合产品由多个基于ARM@CortexTM_M4内核且引脚、外设和软件均兼容的微控制器系列产品组成。 ?ST基于ARM Cortex-M4内核的STM32 F4微控制器系列，具有高达 168MHz的主频，以及在此主频工作下的基准测试功耗为38.6mA
无人机飞行路线控制系统设计 由于无人机是通过无线遥控的方式完成自动飞行和执行各种任务,具有安全零伤亡、低能耗、重复利用率高、控制方便等优点,因此得到了各个国家、各行各业的高度重视和广泛应用。尤其以美国为代表,无论是在军事、民用、环境保护还是科学研究中,都将无人机的使用发挥到淋漓尽致,其拥有全球最先进的“捕食者”和“全球鹰”战斗无人机、监测鸟类的“大乌鸦”无人机、民用用途的“伊哈纳”无人机等等。我国在无人机研制方面也取得了一定的成就,拥有技术卓越的“翔龙”和“暗箭”高空高速无人侦查机、多用途的“黔中”无人机、探测海洋的“天骄”无人机、中继通讯的“蜜蜂”无人机等等。在未来,随着现代化工业技术、信息技术、自动化技术、航天技术等高新技术的迅速发展,无人机技术将日趋成熟,性能日益完善,为此将拥有更为广阔的应用前景。为确保无人机能够有效地完成各种飞行任务,研发者开发了各种技术方式的飞行控制系统,完成对无人机的起飞、飞行控制、着陆以及相应目标任务等操作的控制。飞行路线控制是飞行控制系统中最基础也是最核心的功能控制部分,其它所有的飞行任务控制都是飞行路线控制的基础之上实现。目前对于无人机飞行路线的控制已有各种各样方式的系统,但大多数系统都存在一定缺陷,如有些系统操作过于繁杂,不够智能化;有些系统只能在视距范围遥 控无人机,严重限制了无人机的使用;有些系统过于专用化,不能适用于大多数类型的无人机;有些比较完善的系统,造价又过于昂贵,等等一系列问题。针对以上存在的这些问题,本课题提出了一种成本低、
遥控距离远、智能化、高效化、适用性广的无人机飞行路线控制系统设计方案。该系统方案包括两大部分,一部分是操作人员所处的地面监控系统,一部分是无人机端的受控系统,实现的机制主要是无人机不断地将自身的定位信息实时地传送给地面控制系统,地面控制系统将无人机位置信息通过电子地图可视化显示给操作人员,操作人员结合本次飞行任务,采用灵活的鼠标绘制方式在地图上绘制预定的飞行路线,地面控制系统对绘制路线进行自动处理生成可用的路线控制信息帧并发送给无人机受控系统,无人机受控系统接收到位置控制信息帧,不断结合实时的方位信息得到飞行控制信息,从而遥控无人机按照预定路线飞行。此外,为方便用户以后对历史数据的查看,以分析总结得到一些有价值的信息,地面监控系统还包含了对预定路线和无人机历史飞行路线的存储、查询和在地图中回放功能。基于GIS技术的地面监控系统的具体实现是在Windows操作系统上,采用Visual Basic作为系统开发环境并结合MSComm串口通信技术、Mapx二次开发组件技术、Winsock网络接口技术以及Access数据库技术完成软件设计,实现与无人机受控系统的无线通信、GIS系统操作和监控、历史数据存储和重现等,其中实验区域的电子地图采用Mapinfo Professional开发软件绘制完成,并创新性地设计并绘制了画面简洁的带高层信息的二点三维矢量地图,而对于绘制路线的优化和提取处理采用了垂距比值法和最小R值法。无人机端使用BDS-2/GPS双卫星系统对无人机实时位置进行高精度的定位,采用双串口单片机进行运算控制处理,实时的飞行控制信息采用了几何空间算法得到,另外采
无人机导航定位技术简介与分析 无人机导航定位工作主要由组合定位定向导航系统完成，组合导航系统实时闭环输出位置和姿态信息，为飞机提供精确的方向基准和位置坐标，同时实时根据姿态信息对飞机飞行状态进行预测。组合导航系统由激光陀螺捷联惯性导航、卫星定位系统接收机、组合导航计算机、里程计、高度表和基站雷达系统等组成。结合了SAR 图像导航的定位精度、自主性和星敏感器的星光导航系统的姿态测定精度，从而保证了无人飞机的自主飞行。 无人机导航是按照要求的精度，沿着预定的航线在指定的时间内正确地引导无人机至目的地。要使无人机成功完成预定的航行任务，除了起始点和目标的位置之外，还必须知道无人机的实时位置、航行速度、航向等导航参数。目前在无人机上采用的导航技术主要包括惯性导航、卫星导航、多普勒导航、地形辅助导航以及地磁导航等。这些导航技术都有各自的优缺点，因此，在无人机导航中，要根据无人机担负的不同任务来选择合适的导航定位技术至关重要。 一、单一导航技术 1 惯性导航 惯性导航是以牛顿力学定律为基础，依靠安装在载体(飞机、舰船、火箭等)内部的加速度计测量载体在三个轴向运动加速度，经积分运算得出载体的瞬时速度和位置，以及测量载体姿态的一种导航方式。惯性导航系统通常由惯性测量装置、计算机、控制显示器等组成。惯性测量装置包括加速度计和陀螺仪。三自由度陀螺仪用来测量飞行器的三个转动运动;三个加速度计用来测量飞行器的三个平移运动的加速度。 计算机根据测得的加速度信号计算出飞行器的速度和位置数据。控制显示器显示各种导航参数。惯性导航完全依靠机载设备自主完成导航任务，工作时不依赖外界信息，也不向外界辐射能量，不易受到干扰，不受气象条件限制，是一种自主式的导航系统，具有完全自主、抗干扰、隐蔽性好、全天候工作、输出导航信息多、数据更新率高等优点。实际的惯性导航可以完成空间的三维导航或地面上的二维导航。 2 定位卫星导航 定位卫星导航是通过不断对目标物体进行定位从而实现导航功能的。目前，全球范围内有影响的卫星定位系统有美国的GPS，欧洲的伽利略，俄罗斯的格拉纳斯。这里主要介绍现阶段应用较为广泛的GPS全球定位系统导航。
第35卷 第4期 福 建 电 脑 Vol. 35 No.4 2019年4月 Journal of Fujian Computer Apr. 2019 ——————————————— 本文得到浙江省大学生科技创新活动计划项目(No.0618026)资助。刘新泽，男，1998年生，主要研究领域为电子信息方向。E-mail: 1145655900@https://www.doczj.com/doc/407116894.html, 。 刘靖宇，男，1993年生，主要研究领域为电子信息方向。 E-mail: 346875661@https://www.doczj.com/doc/407116894.html, 。 钮杨洁，女，1998年生，主要研究领域为电气工程及其自动化。 E-mail: 1403390414@https://www.doczj.com/doc/407116894.html, 。杜智文，男，1995年生，主要研究领域为计算机方向。E-mail: 1009963012@https://www.doczj.com/doc/407116894.html, 。丁建鑫，男，1996年生，主要研究领域为电子信息方向。 E-mail: 1194173858@https://www.doczj.com/doc/407116894.html, 。 基于OpenCV 的视觉定位四旋翼无人机 刘新泽 刘靖宇 杜智文 钮杨洁 丁建鑫 (同济大学浙江学院电子与信息工程系 浙江 嘉兴 314051) 摘 要 本论文所制作的无人机由以下两个核心部分组成，其一是以TM4C123G 单片机为飞控的核心部分，其二是以安装有OpenCV 库的树莓派为视觉识别的核心部分。系统通过树莓派（图像处理器）检测周围环境，获得当前飞行器的位置以及偏离目标位置，将位置数据传回飞控芯片，再经过飞控的核心参数计算处理，矫正自身的姿态，或者偏移角度以达到指定目标位置。 关键词 单片机；树莓派；OpenCV ；视觉定位；设计制作 中图法分类号 TP302.1 DOI:10.16707/https://www.doczj.com/doc/407116894.html,ki.fjpc.2019.04.034 OpenCV-based Visual Positioning Four-Rotor UA V LIU Xinze, LIU Jinyu, DU Zhiwen, NIU Yangjie, DING Jiangxin (Department of Electronic and Information Engineering, Tongji Zhejiang College, Jiaxing, China, 314051) 1 引言 多旋翼无人机已经有一百多年的历史，四旋翼作为小型多旋翼无人机的一种，也已经存在超过二十五年。因其易用性、开放性和安全性，具有广泛的民用和军用价值。OpenCV 是一个基于BSD 许可（开源）发行的跨平台计算机视觉库，拥有超过400个免费的图像处理函数，涉及面广泛，而且其中的算法易理解且能达到很好的效果。从图像处理到模式识别、从静态图像到运动视频、从二维平面到相机的三维标定以及三维的重建都可以利用四旋翼无人机。 目前市面上大部分无人机均是通过接收GPS 信号进行定位，而这种定位方式虽有很多好处，但也存在着很大的弊端。如果在室内或者偏远地区等，GPS 信号弱甚至没有信号的时候，无人机就不能进行准确定位，容易失控，进而发生安全事故。本文所设计的基于OpenCV 的视觉定位四旋翼无人机在于若无人机能自主进行视觉定位，则可有效避免此情况的发生。 2 系统方案设计 该四旋翼的设计框架如图1所示，包括主控芯片TM4C123G 和树莓派（含OpenCV 数据库）、mpu6050 、超声波模块、摄像头。通过硬件设备之间的相互连接，将飞行姿态、高度、水平位置汇总至主控芯片实现矫正自身的姿态，或者偏移角度以达到指定目标位置。 图1 系统设计框架
关于无人机飞行控制系统的全面解析 飞控的大脑：微控制器在四轴飞行器的飞控主板上，需要用到的芯片并不多。目前的玩具级飞行器还只是简单地在空中飞行或停留，只要能够接收到遥控器发送过来的指令，控制四个马达带动桨翼，基本上就可以实现飞行或悬停的功能。意法半导体高级市场工程师介绍，无人机/多轴飞行器主要部件包括飞行控制以及遥控器两部分。其中飞行控制包括电调/马达控制、飞机姿态控制以及云台控制等。目前主流的电调控制方式主要分成BLDC方波控制以及FOC正弦波控制。 高通和英特尔推的飞控主芯片CES上我们看到了高通和英特尔展示了功能更为丰富的多轴飞行器，他们采用了比微控制器（MCU）更为强大的CPU或是ARM Cortex-A系列处理器作为飞控主芯片。例如，高通CES上展示的Snapdragon Cargo无人机是基于高通Snapdragon芯片开发出来的飞行控制器，它有无线通信、传感器集成和空间定位等功能。Intel CEO Brian Krzanich也亲自在CES上演示了他们的无人机。这款无人机采用了RealSense技术，能够建起3D地图和感知周围环境，它可以像一只蝙蝠一样飞行，能主动避免障碍物。英特尔的无人机是与一家德国工业无人机厂商Ascending Technologies合作开发，内置了高达6个英特的RealSense3D摄像头，以及采用了四核的英特尔凌动（Atom）处理器的PCI-express定制卡，来处理距离远近与传感器的实时信息，以及如何避免近距离的障碍物。这两家公司在CES展示如此强大功能的无人机，一是看好无人机的市场，二是美国即将推出相关法规，对无人机的飞行将有严格的管控。 多轴无人机的EMS/传感器某无人机方案商总经理认为，目前业内的玩具级飞行器，虽然大部分从三轴升级到了六轴MEMS，但通常采用的都是消费类产品如平板或手机上较常用的价格敏感型型号。在专业航拍以及专为航模发烧友开发的中高端无人机上，则会用到质量更为价格更高的传感器，以保障无人机更为稳定、安全的飞行。这些MEMS传感器主要用来实现飞行器的平稳控制和辅助导航。飞行器之所以能悬停，可以做航拍，是因为MEMS传感器可以检测飞行器在飞行过程中的俯仰角和滚转角变化，在检测到角度变化
第26卷 第3期航 空 学 报 Vol 126No 13 2005年 5月ACTA A ERONAU TICA ET ASTRONAU TICA SIN ICA May 2005 收稿日期:2004205213;修订日期:2004209220 基金项目:国家杰出青年基金(50125518)资助项目 文章编号:100026893(2005)0320344205 基于双圆特征的无人机着陆位置姿态视觉测量方法 张广军,周富强 (北京航空航天大学仪器科学与光电工程学院,北京 100083) Position and Orientation Estimation Method for Landing of U nmanned Aerial V ehicle with Tw o Circle B ased Computer Vision ZHAN G Guang 2jun ,ZHOU Fu 2qiang (School of Instrument Science and Opto 2Electronics Engineering ,Beijing University of Aeronautics and Astronautics ,Beijing 100083,China ) 摘 要:提出了一种无人机自主着陆位置姿态的单目视觉测量方法,建立了机载摄像机的运动和投影模型。设计了新型双圆图案着陆平面靶标,采用双圆的8个公切点,产生21个具有透视投影不变性的特征点,并提出了在复杂背景中全自动双圆特征的图像提取新方法及标记特征点的方案,实验表明,768×576像素大小的图像,特征提取及标记耗时小于9ms 。仿真试验表明,摄像机距离靶标10m 左右,噪声偏差达到1.5像素时,单轴位置RMS 误差小于6cm ,单轴姿态RMS 误差小于0.7°,所提出的算法具有很强的抗噪声能力,能够满足无人机自主着陆位置姿态实时测量的要求。关键词:无人机;位置;姿态;特征点;透视投影中图分类号:TP391 文献标识码:A Abstract :A novel monocular vision method for landing of unmanned aerial vehicle (UAV )to estimate its state relative to a known two 2circle planar target is proposed.The motion and projection model of the camera on 2board of UAV is established.Twenty 2one control points with invariance of perspective projection are generated with eight common tangent points of two coplanar circles onto the designed target.The position and orienta 2tion of the camera can be computed with the world coordinates of twenty 2one control points and the corre 2sponding image coordinates.The feature extraction of two circles and control points labeling in a 768×576pix 2el size image with complex background may be completed within 9ms.Simulation test results show that the proposed vision 2based state estimations are accurate to within 6cm refered to each axis of translation and 0.7degrees refered to each axis of rotation when the distance between the camera and the landing pad is about 10m and the G aussian white noise level is 1.5pixels.The proposed technique is robust to noise and reliable ,and it can meet the demand of the real time measurements of the position and orientation for control of UAV.K ey w ords :unmanned aerial vehicle ;position ;orientation ;feature point ;perspective projection 无人机的进场着陆是无人机航行的最后阶 段,也是整个飞行过程中事关安全的关键阶段。导航控制信号的一部分主要来自于无人机相对于着陆目标的绝对位置和方向信息。因此,在着陆阶段精确地估计无人机的位置和姿态,对控制无人机的自主着陆起着重要作用。无人机的位置姿态估计主要由导航系统完成,现有的(导航方法有:全球定位系统(GPS )、惯性导航系统(INS )、光电导航系统、视觉导航系统以及各种方式的组合导航系统[1～4]。视觉导航是三维视觉技术的一个重要内容,以计算机视觉为理论基础的视觉导航系统,具有大视场、非接触、速度快、信息丰富以 及精度适中等优点,特别适合于估计无人机相对于着陆目标的位置姿态。基于视觉导航的无人机自主着陆流程如图1所示。着陆控制系统根据视觉导航系统获得的导引信息,控制无人机相对于着陆目标的相对运动。作为导航控制环路的控制信号获取传感装置,视觉导航系统能够单独估计无人机的运动状态,也可以作为其他导航系统的 图1 基于视觉的无人机自主着陆流程 Fig 11 UAV vision 2based landing flowchart
本技术公开了一种远程无人机控制系统，包括无人机组和远程控制中心，所述无人机组包括若干架无人机，每架所述无人机包括第二无线通讯模块、智能监控器、自动驾驶装置和航拍装置，所述智能监控器通过无线传输线路与遥控器连接，所述的遥控器用于控制无人机，包括遥控器本体和安装在遥控器本体上的无线传输模块，所述远程控制中心包括第一无线通讯模块、任务分配模块、信号处理模块和初始化模块。本技术不仅能够同时控制多架无人机，智能化程度高，而且航拍所得到的图像质量较好。 技术要求 1.一种远程无人机控制系统，其特征在于：包括无人机组和远程控制中心，所述无人机组包括若干架无人机，每架所述无人机包括第二无线通讯模块、智能监控器、自动驾驶装 置和航拍装置； 所述第二无线通讯模块用于向远程控制中心发送实时飞行数据，接收并回复远程控制中 心发送的测试命令，并发送命令至所述自动驾驶装置和所述航拍装置； 所述自动驾驶装置用于接收第二无线通讯模块发送的任务命令并驱动所述无人机执行飞 行任务；
所述智能监控器通过无线传输线路与遥控器连接，所述的遥控器用于控制无人机，包括遥控器本体和安装在遥控器本体上的无线传输模块，其每隔一段时间就会往将所接收到的数据包向外界发送； 所述航拍装置一方面根据所述第二无线通讯模块接收到的航拍指令进行图像采集和处理，另一方面通过所述第二无线通讯模块向所述远程控制中心发送航拍图片信息； 所述远程控制中心包括第一无线通讯模块、任务分配模块、信号处理模块和初始化模块，所述第一无线通讯模块用于向所述第二无线通讯模块发送测试命令和任务命令，接收所述第二无线通讯模块发送实时飞行数据； 所述任务分配模块用于用户输入每一架无人机任务命令并通过第一无线通讯模块发送至对应的无人机； 所述信号处理模块用于对所述第一无线通讯模块接收的实时飞行数据进行处理得到无人机执行命令并将执行命令和任务命令比对； 所述初始化模块用于对第一无线通讯模块、任务分配模块和信号处理模块进行初始化； 所述航拍装置包括图像采集模块、图像编码模块、图像压缩模块、图像存储模块和微控制模块，所述图像采集模块采集视频信号，所述视频信号为一系列模拟图像的集合，所述图像编码模块对所述模拟图像进行编码转化为数字图像，所述图像压缩模块对所述数字图像进行编码压缩后形成压缩图像传送给所述图像存储模块进行存储，所述微控制模块控制所述图像采集模块采集所述视频信号，协调控制所述图像编码模块进行图像编码，所述图像压缩模块进行图像压缩，所述图像存储模块对所述压缩图像进行存储； 所述微控制模块与所述无线通信装置电连接，接收所述拍摄指令，从所述图像存储模块中提取存储的所述压缩图像并通过所述第二无线通讯模块发送给所述第一无线通讯模块。 2.根据权利要求1所述的一种远程无人机控制系统，其特征在于：所述智能监控器包括相对独立的控制器和信号切换器，二者之间通过RS485通讯端口进行通讯，所述控制器可控制8台带有摄像机的云台，所述信号切换器装有红外遥控接收器件，所述遥控器通过有线或无线方式和远程控制中心连接。
1.概论： 无人机，即无人驾驶的飞机。是指在飞机上没有驾驶员，只是由程序控制自动飞行或者由人在地面或母机上进行遥控的飞机。它装有自动驾驶仪、程序控制系统、遥控与遥测系统、自动导航系统、自动着陆系统等，通过这些系统可以实现远距离飞行并得以控制。无人机与有人驾驶的飞机相比而言，重量轻、体积小、造价低、隐蔽性好，特别宜于执行危险性大的任务，因此被广泛应用。 二、无人机的特点及技术要求 无人机没有飞行员，其飞行任务的完成是由无人飞行器、地面控制站和发射器组成的无人机系统在地面指挥小组的控制一下实现的。据此，无人机具有以下特点: （1）结构简单。没有常规驾驶舱，无人机结构尺寸比有人驾驶飞机小得多。有一种无尾无人机在结构上比常规飞机缩小40%以上。重量减轻，体积变小，有利于提高飞行性能和降低研制难度。 （2）安全性强。无人机在操纵人员培训和执行任务时对人员具有高度的安全性，保护有生力量和稀缺的人力资源。可以用来执行危险性大的任务。 （3）性能提高。无人机在设计时不用考虑飞行员的因素。许多受到人生理和心理所限的技术都可在无人机上使用，从而突破了有人在机的危险，保证了飞行的安全性。 （4）一机多用，稍作改进后发展为轻型近距离对地攻击机。
（5）采用成熟的发动机和主要机载设备，以减少研制风险与经费投入，加快研制进度。联合研制以减小投资风险、解决经费不足有利于扩大出口及扬长技术与设备优势。 （6）研制综合训练系统。技术要求有: （1）信息技术包括信息的收集和融合，信息的评估和表达，防御性的信息战、自动目标确定和识别等； （2）设备组成包括低成本结构、小型化及模块化电子设备、低可见性天线、小型精确武器、可储存的高性能发动机及电动作动器等； （3）性能实现包括先进的低可见性和维护性技术、任务管理和规划、组合模拟和训练环境等。 三、无人机系统按照功能划分，主要包括四部分: （1）飞行器系统 包括空中和地面两大部分。空中部分包括：无人机、机载电子设备和辅助设备等，主要完成飞行任务。地面部分包括：飞行器定位系统、飞行器控制系统、导航系统以及发射回收系统，主要完成对飞行器的遥控、遥测和导航任务，空中与地面系统通过数据链路建立起紧密联系。 （2）数据链系统 包括：遥控、遥测、跟踪测量设备、信息传输设备、数据中继设备等用以指挥操纵飞机飞行，并将飞机的状态参数及侦察信息数据传到控制站。 （3）任务设备系统 包括：为完成各种任务而需要在飞机上装载的任务设备。
无人机室内编队飞行计算机视觉定位 方案设计
目录 1：项目需求 (3) 2：系统整体设计 (3) 3：标识设计 (6) 4：目标定位跟踪 (7) 5：研究基础和团队 (7)
1：项目需求 本项目是针对室内多机编队飞行而生。 飞行环境 1、飞行空间：长8米，宽4米，高2.8米 2、飞机尺寸：长10cm，宽10cm； 3、飞机数量：16架； 4、飞行高度1.5米 5、飞行间距40cm 视觉定位要求 1、平面定位精度5cm； 2、飞机头尾方位角1°； 3、输出速率大于30hz； 4、延迟小于100ms； 2：系统整体设计 室内导航与定位是无人机编队飞行的核心技术，一旦无人机像人一样室内活动自如，将开启一个比现有规模还大的室内市场，对于室外环境，全球导航卫星系统(Global Navigation Satellite System, GNSS)诸如美国的全球定位系统(Global Positioning System, GPS)、我国的北斗卫星导航系统(BeiDou Navigation Satellite System,
BDS)能够为用户提供较高精度的定位服务，基本满足了用户在室外场景中对基于位置服务的需求。然而，个人用户、服务机器人、扫地机器人等有大量的定位需求发生在室内场景。而室内场景受到建筑物的遮挡，GNSS信号快速衰减，甚至完全拒止，无法满足室内场景中导航定位的需要。因此，室内定位技术成为工业界与学术界研究的热点。在各行业应用需求的推动下，室内定位技术得到了快速的发展。目前，国内外研究已提出了射频识别技术(Radio Frequency Identification, RFID)、蓝牙、WLAN(Wireless Local Area Networks)、超宽带(Ultra-Wideband, UWB)，光流技术和运动捕捉等室内定位技术及系统，其中部分定位技术已经商用。但是，由于室内场景的复杂性和多样性，不同的室内定位技术也具有不同的缺点和局限性，尚未形成与GPS类似的普适解决方案。 射频，WLAN和UWB技术由于射频的不确定性，适应于范围大，精度要求较低的场合，光流法定位精度高，适合于无人机在室内的空中精确悬浮和定位。运动捕捉技术是目前最成功的无人机室内编队飞行动态定位技术，代表有英国Oxford Metrics Limited公司，英国Oxford Metrics Limited公司是世界上一家非常著名的光学动作捕捉（Motion Capture）系统供应商，它的这项技术在70 年代服务于英国海军，从事遥感、测控技术设备的研究与生产。进入80年代他们将自己在军事领域里的高新技术，逐渐用于民用方面，在医疗、运动、工程、生物等诸多领域生产制造用于动作捕捉的Motion Capture系统。80年代末，OML又将动作捕捉系统技术应用
www?ele169?com | 27实验研究 0 引言 多旋翼无人机是集合多项现代高新科技的成果，无人机 行业的蓬勃发展是中国崛起、中国航空产业崛起的重要体现，多旋翼无人机具有系统安全性好、可靠性高、负载能力强等特点，具有非常广阔的应用前景。多旋翼无人机的作业方式相比于传统的人工作业方式，大大提高了作业效率、降低作业成本与风险。在无线通信技术与图像处理技术快速发 展的背景下，多旋翼无人机逐渐向智能化的方向发展，另外， 独特的机械结构使多旋翼无人机更加灵活。随着无人机在人们生活中的进一步普及，无人机故障的影响也会越来越大，在大多数故障中，主要是控制器故障后果最为严重，所以飞行控制器的结构健康管理始终受到人们高度重视。1 多旋翼无人机任务需求分析 多旋翼无人机飞行控制系统主要服务于公安消防、公共 安全、勘察搜救等领域，对无人机的飞行安全、可靠性等要求较高，针对多旋翼无人机所应用的特殊场合，其飞行控制 系统需要具备以下性能指标：首先要具备机载飞控系统与地面站两部分，由机载飞控 系统来进行控制律的运算，通过电机控制指令对地面站发送的信息进行接收。地面站会显示无人机当前的飞行状态以及 主控件的基本性能。其次要具有良好的传感器以及多种飞行模式，传感器主要对无人机飞行姿态、高度、位置等信息进行采集，通过机载计算机对相应数据进行处理，多旋翼无人机存在多种飞行模式，需要根据实际情况选择最佳飞行模 式。最后，多旋翼无人机飞行控制系统要具有多种读取遥控 信号的方式，实现多种多旋翼无人机的飞行控制。还要具有在线调整及保存相关的控制参数功能、在异常情况下应急处理功能等。根据多旋翼无人机飞控系统的要求指标，提出了飞控系统具体的设计要求： ■1.1 飞行控制处理器 飞行控制处理器需要对传感数据进行收集并处理，对控 制律进行运算，保持与地面站之间通信畅通。飞行控制处理器只有缩短调节电机转速的指令周期，才能更好的发挥控制性能。由于飞行控制处理器面临的任务众多，所以要求飞控处理器处理速度快、计算能力强。飞控处理器必须快速对传感器数据进行读取，第一时间与无线通信设备进行连接，实现与地面站之间的通信，另外飞控处理器必须具备存储空间大、低功耗、体积小等特点。 ■1.2 传感器传感器需要选择精度较高的传感器以及通信距离较远的无线通信设备，满足飞控系统的性能指标，确保传感器使用简单、通信接口通用。 ■1.3 软件开发多旋翼无人机的飞控软件系统要有很强的可靠性与稳定性，具备通信链路异常状况下的紧急处理，具备相应的备份程序，避免无人机在飞行过程中发生故障，另外地面站要具备故障报警功能。飞行控制系统的采样频率不易过小以免出现控制输出调节量滞后造成严重后果。2 多旋翼无人机飞行控制系统总体架构设计多旋翼无人机飞行控制系统总体架构由机载部分与地面站部分组成，机载部分主要由飞控处理模块、传感器模块、电源模块、执行机构构成。地面部分与机载部分之间的信息交互 主要通过无线通信模块来完成。飞控系统总体架构如图1所示。图1 飞控系统总体架构 ■2.1 飞控系统硬件平台设计当前的飞行控制系统控制芯片多采用ARM、DSP 等高 速处理器，单处理器的使用会抑制控制系统的进一步拓展，多旋翼无人机飞行控制系统设计研究张建学 （中国民航飞行学院计算机学院，四川广汉，618307）摘要：多旋翼无人机具有优良的操作性能、维护简单、成本较低等特点，已经成为微小型无人机的主流，获得了广大的消费群体。飞控系统作为无人机的核心技术，始终是无人机学术与工程领域研究的热点。本文以多旋翼无人机为研究对象，根据多旋翼无人机的结构特点，对飞行控制系统进行设计与研究，从硬件原理与软件原理对多旋翼无人机飞行控制系统的构建过程进行详细介绍。关键词：多旋翼；无人机；飞控系统
无人机的飞行控制与导航 形形色色的无人机已经成为未来信息化、网络化战争基础性的作战装备,各国对于无人机系统的发展也不遗余力。然而很多人对于无人机系统及其技术全貌却并不一定有着清晰的了解。航空专家傅前哨将通过一系列文章,向你阐述无人机的相关技术及最新发展。 Q 无人驾驶飞行器系统都有些什么样的装备和设施? A 无人驾驶飞行器的使用需要一套专门的装置和设备。整个系统包括若干架无人驾驶飞机(或其它航空器)、地面控制系统(如遥控站)、地面支援保障设备以及起飞、回收装置等。例如,“猎人”军用无人机系统,共含8架可携带侦察设备的无人机、两个地面控制站、1个任务规划站、4个分离式接收站、1个发射回收装置等。无人驾驶的飞机、直升机、飞艇等主要由机体、动力装置、机载导航定位系统、飞行控制系统、起飞和回收装置以及有效载荷(如侦察设备、电子对抗设备、信息传输设备、机载武器等)组成。无人驾驶飞行器上没有乘员,因此领航员、驾驶员的任务需要由导航定位系统、飞行控制系统、自动驾驶仪等设备来完成。 Q 无人驾驶飞行器的控制方法有几种,各有什么优缺点? A 无人机的飞行控制方式较多,目前采用的主要有线控、有线电遥控、无线电遥控,程控等几种。 所谓线控,就是用手持的钢丝线对动力无人机进行操纵,此法多用于竞技航模。 有线电遥控是一种相对简单,且成本较低的操纵方式。地面站人员通过电缆或光缆将各种控制信号传输给无人机,操纵其飞行和工作,而无人机则通过电缆将侦测到的信息送回地面站。其缺点是受电缆长度,重量的限制,飞行器的航程和升限都不大,活动区域和观察范围较小。 一些小型的,微型的无人侦察机也采用目视遥控的方式进行操纵。这类无人机上大都安装有一部与手持式遥控器配套的小型多通道无线电接收机。机载接收机收到由地面遥控发射机发来的操纵指令后,将控制信号分配给各舵机,由其完成翼面,油门的控制,开启,关闭某些设备,完成对无人机的操纵。 超视距遥控的工作原理是,地面遥控站的人员通过目视、光学设备、雷达系统等,实时获取无人机的姿态,方位,距离,速度、高度等信息,并对其进行跟踪,定位和控制。当发现无人机偏离预定航线,空中姿态出现偏差或需要人为地改变其飞行状况时,地面站发出无线电遥控指令,操纵无人机恢复或调整其飞行轨迹,这种方式可称之为单向无线电遥控。某些无人机上装有机载数据采集与传输系统或专用的前视摄像装置,可通过数传电台或数据链向地面无线电测控站发送无人机自身的飞行数据等,并在地面站计算机上模拟显示出相关的仪表显示、飞机姿态、飞行航迹等。如果通过电视图像传输系统向地面遥控站发送现场的前视图像和座舱图像,地面站的人员还可根据无人机传回的图像和数据,监视、判断它的飞行情况,并通过遥控装置操纵其飞行,这种遥控方式被称为双向无线电遥控。现代无人机有许多机型都采用后一种遥控方式。而美国在20世纪70年代研制的F-15缩比自由飞模型和HiMAT无人驾驶研究机则采用了前一种遥控方式。 采用无线电遥控方式时,无人机的活动半径和飞行自由度主要受机载和地面遥控设备的发射功率、无线电波的传输距离以及飞行器本身性能的限制。受地球曲率、遥控设备发射功率等因素的影响,地面站的作用距离一般较短,往往只能用
视觉导航技术综述 唐超颖，杨忠，沈春林 （南京航空航天大学自动化学院，江苏 南京 210016） 摘要：概述了视觉导航技术。视觉导航依据视觉图像，利用图像处理、计算机视觉、模型识 别等相关技术获取运动体的运动信息和空间位置信息，实现导航。首先，简单比较了各种常 用的导航方式，分析了视觉导航的研究意义；其次，总结了目前视觉导航的应用领域及应用 概况；接着，介绍了局部视觉和分布式组合视觉两种导航方式的含义及应用情况；然后，分 析、比较了目前视觉导航研究中的一些关键技术；最后，综合国内外视觉导航技术研究的现 状及存在的问题，提出了进一步研究的方向与途径。 关键词：视觉导航、移动机器人、智能车辆、三维重建、图像匹配、路径识别 0 引 言 导航是指运动体按照预先给定的任务命令，根据已知的地图信息做出全局路径规划，并在行进过程中，不断感知周围的局部环境信息，做出各种决策，随时调整自身的姿态与位置，引导自身安全行驶，直至目标位置。导航系统要解决的问题包括：一、空间位置、方向、环境信息的检测；二、所获信息的分析、处理及综合；三、运动路径规划。根据环境信息的完整程度、导航指示信号类型、导航地域等因素的不同，目前常见的导航方法有：惯性导航、电磁导航、卫星导航、激光导航、红外导航、无线电导航、视觉导航及各种方式的组合导航等。 惯性导航利用加速度计与陀螺仪计算航程，推知当前位置和下一步目的地，不易受外界环境的影响，是目前的主要导航方法，但随着航程的增长，定位误差将会不断累加，导致定位精度下降[1]；电磁导航也称地下埋线导航，20世纪70年代迅速发展并广泛应用于柔性生产，其原理是在路径上连续埋设多条引导电缆，分别流过不同频率的电流，通过感应线圈对电流的检测来感知路径信息，该技术简单实用，但其成本高，改造和维护困难，且不适用于长距离导航[2]；卫星导航利用卫星发射无线电波到地面接收器的时间来推算地面接收器所在的经纬度，其中GPS是目前真正实用的一种卫星导航和定位系统，但其技术为美国所垄断，我国也正在致力于这方面的研究；激光和红外线定位由于可以达到很高的精度，近年也被广泛应用于导航领域，但激光导航需要向外界发射能量，不易隐身，红外导航易受日光影响，一般用于夜间导航；无线电导航方式中，角度到达定位和信号强度定位的精度不高，只能提供粗略的位置信息，抵达时间定位可以达到很高的精度，但是电波以光速传播，要达到米级精度，时间粒度需要纳秒级以上，且易受空中各种无线电波的干扰[3]。 视觉导航是采用CCD 摄像头拍摄路面图像，运用机器视觉等相关技术识别路径，实现自动导航的一种新兴导航方法[3]。由于视觉导航通常采用被动工作方式，设备简单、成本低、经济性好、应用范围较广，在理论上具有最佳引导柔性，因此近年来发展非常迅速。文中后续部分将对视觉导航的应用领域、适用范围、关键技术等方面做出综合分析。 基金项目：国家自然科学基金资助项目(60674100) 作者简介：唐超颖（1979-），女，江苏南京人，讲师，导航、制导与控制
一种小型智能化无人机飞控导航系统随着高新技术在武器装备上的广泛应用，无人机的研制正在取得突破性的进展。 世界上最近发生的几次局部战争，凸现出无人机在军事上的实用性。然而，飞控导航系统作为无人机的大脑和神经，在无人机的任务过程中扮演着关键角色。如何设计高可靠和智能化的飞控导航系统，是无人机设计师的终极目标。 目前，国内在起飞重量不超过300kg级的无人机上，飞行控制系统多采用PC104计算机结构或基于单片机两种分立式方案，重量重，体积大，集成化能力差。无人机的飞行控制主要采取两种形式：第一种是采取预先编制的控制程序，来自动控制飞行；第二种是由设置在地面、空中或舰船上的遥控指挥站来指挥。本文要给出了一种基于DSP集成式结构的小型智能型无人机导航飞控设计方案，将两种控制方式进行了有机结合，并已应用于某小型无人机上。经过试验，证明了该方法的可行性，为今后小型化、低成本无人机自动驾驶仪的设计提供了一种新的思路。 1. 系统设计原则 无人机系统应首先具备完整的惯性系统和定位系统，其次应当具有完备的飞行任务管理功能。为了增强飞行控制功能，应当保证不同飞行指令下的多模式的飞行控制能力，以便在人机交互的同时对飞机的稳定进行控制， 进行系统设计时，应当遵循在保证性能的同时尽量减小系统重量和缩小体积，硬件电路设计力求简捷和直接。要求性能与成本兼顾，并保证系统的可靠性。 2. 系统结构介绍 整个无人机系统由GPS/GLONASS接收天线及接收机、机载传感器、无线电接收系统、DSP机载计算机以及执行机构五部分组成。系统功能结构模块如图1所示。 其中GPS/GLONASS接收模块选用微小型接收装置；机载姿态传感器选用贴片式芯片；为了保证自主导航飞行时航向的精度，除了选取航向传感器外，还应用了一个光纤陀螺；无线电接收系统指的是无线电定位及与地面站（GCS）通讯时数据链路的机载接收装置；机载计算机包括3个DSP处理器：GPS接收解码DSP，导航DSP 和飞控DSP；舵机选用Futaba专用舵机。整个飞控导航系统体积仅为180×120×70 mm，总重量不超过1.5kg（包含安装壳体），如图2所示。