無人機自主智能控制系統(tǒng)設(shè)計淺析

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摘要:本文設(shè)計了無人機自主智能控制系統(tǒng)，并以無人機自主智能控制系統(tǒng)的智能定位精確度與自主飛行性能驗證為例，進行了系統(tǒng)實驗分析。結(jié)果表明，任務(wù)管理體系可基于計算機，對無人機的自主起升下降進行有效控制，并實現(xiàn)了多任務(wù)點之間的直線飛行，水平方向定位誤差可控制0.14m以內(nèi)；既可保障飛行穩(wěn)定性，又可保持飛行高度，垂直誤差可控制在0.05m以內(nèi)；可精確保持水平位置與垂直位置。

關(guān)鍵詞:無人機；自主控制；智能系統(tǒng)

1引言

無人機(UAV)即不需要駕駛?cè)藛T操縱，便可自主或者遠程控制實現(xiàn)飛行的機器人系統(tǒng)。于1917年英國首次成功研發(fā)了世界上的第一架無人機，且應(yīng)用到了第一次世界大戰(zhàn)中。由此，無人機經(jīng)常長遠的發(fā)展進程，在局部戰(zhàn)爭中充分發(fā)揮了關(guān)鍵性作用。早期，無人機在軍事領(lǐng)域的應(yīng)用比較頻繁，隨著不斷發(fā)展逐步推廣到了農(nóng)林業(yè)、電力行業(yè)、物流行業(yè)、地質(zhì)勘探、環(huán)境監(jiān)測等各個民用領(lǐng)域。而無人機自主化是當前無人機的主要發(fā)展趨勢，必然會在一定程度上促進無人機的廣泛深層應(yīng)用發(fā)展[1]。本文針對無人機設(shè)計了自主智能控制系統(tǒng)。

2無人機自主智能控制等級劃分分析

無人機自主控制系統(tǒng)過于繁雜，將全部數(shù)據(jù)信息與控制指令放置于中央處理器進行控制，勢必會導(dǎo)致控制系統(tǒng)紊亂，結(jié)構(gòu)失衡，數(shù)據(jù)信息錯亂，不僅會阻礙無人機維護與管理工作開展，還會大大降低無人機CPU計算與處理速度。所以就無人機自主控制系統(tǒng)的控制流程與特性，進行控制等級劃分[2]，具體如圖1所示。由圖可知，無人機自主控制系統(tǒng)由任務(wù)系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)、協(xié)同作業(yè)系統(tǒng)共同構(gòu)成，各系統(tǒng)分別由相應(yīng)子系統(tǒng)組成，通過若干層級逐步劃分，最終基于無人機系統(tǒng)底層執(zhí)行單元負責(zé)系統(tǒng)指令執(zhí)行的相關(guān)任務(wù)。

3無人機自主智能控制系統(tǒng)整體設(shè)計

無人機各傳感器通過獲取外界環(huán)境相關(guān)信息，并傳輸于CPU加以處理、計算分析，從而得出結(jié)論，在此基礎(chǔ)上，將控制信息傳輸于各執(zhí)行部件，以實現(xiàn)自主智能控制。無人機自主智能感知系統(tǒng)示意圖具體如圖2所示。由圖可知，無人機的動作必須非常精確，除了穩(wěn)定，還要能到飛行到預(yù)期的高度并有效進行溝通，同時執(zhí)行相應(yīng)任務(wù)。其中，慣性傳感器負責(zé)檢測和測量加速度、傾斜、沖擊、振動、旋轉(zhuǎn)和多自由度運動，是解決導(dǎo)航、定向和運動載體控制的重要部件；磁傳感器、傾角傳感器相結(jié)合可實時測量無人機飛行姿態(tài)；距離傳感器負責(zé)探測無人機與周圍障礙物的間距，避免無人機和外界物體相互碰撞，或者測量無人機與目標之間的距離，獲取測量距離數(shù)據(jù)，實時顯示在控制面板上；溫度傳感器可測驗所處環(huán)境具體溫度，而其他傳感器測量值精確度與溫度息息相關(guān)，所以，需就溫度傳感器數(shù)據(jù)進行溫差補償，以確保測量數(shù)據(jù)信息精確性；加速度傳感器負責(zé)測量空間中各方向加速度。基于無人機自主智能感知系統(tǒng)設(shè)計了無人機自主智能控制系統(tǒng)，其中不僅包含經(jīng)典導(dǎo)航、制導(dǎo)、控制多項功能，還吸收了類似于人類認知行為的規(guī)劃、預(yù)測、決策、學(xué)習(xí)等高層次智能化功能，其整體框架[3]具體如圖3所示。以人類認知行為為基礎(chǔ)的無人機自主智能控制系統(tǒng)功能具體即:決策性行為層功能為態(tài)勢感知、智能決策、任務(wù)規(guī)劃、任務(wù)管理等；反射性行為層在控制系統(tǒng)中負責(zé)飛行導(dǎo)航、制導(dǎo)、控制等；程序性行為層的作用是故障自主修復(fù)、環(huán)境自適應(yīng)等。

4無人機自主智能控制系統(tǒng)詳細設(shè)計

基于人類認知行為模型的無人機自主智能控制系統(tǒng)，轉(zhuǎn)變決策性、反射性、程序性行為層為任務(wù)管理模塊、飛行管理模塊、控制執(zhí)行模塊[4]，具體如圖4所示。

4.1任務(wù)管理模塊

信息管理子模塊，基于信息相互連通，進行信息融合、環(huán)境感知、目標身份、意圖識別、風(fēng)險等級實時全方位評價；重新規(guī)劃子模塊，在預(yù)設(shè)規(guī)劃賴以存在的條件改變，或者發(fā)生沖突或者突發(fā)事件時，需要針對在線任務(wù)與路徑進行重新規(guī)劃，以確保能夠適應(yīng)實時變化的環(huán)境狀態(tài)；載荷管理子模塊，面向目標進行搜索、跟蹤，以及傳感器管控，持續(xù)評估武器的發(fā)射條件與狀態(tài)，并基于授權(quán)對其加強投放控制；特殊事件管理子模塊，以信息管理結(jié)果為基礎(chǔ)，檢測、評估、診斷并分析處理突發(fā)事件或者為規(guī)劃事件，即突發(fā)性風(fēng)險、目標消失、新目標衍生等等；協(xié)調(diào)管理子模塊，針對戰(zhàn)術(shù)或者戰(zhàn)略目標進行科學(xué)合理規(guī)劃與重規(guī)劃，并科學(xué)分配協(xié)同任務(wù)，正確作出協(xié)同決策與規(guī)劃；任務(wù)鏈管理子模塊，就已經(jīng)規(guī)劃的任務(wù)進行實時調(diào)度管理，保障基于合適的時間地點，順利完成相關(guān)任務(wù)。

4.2飛行管理模塊

導(dǎo)航定位子模塊，基于平臺導(dǎo)航定位與多機協(xié)同，以相對導(dǎo)航定位與時空同步；航路點管理子模塊，面向任務(wù)完成、沖突消除、戰(zhàn)術(shù)激動等具體航路點，科學(xué)管控對其的實時規(guī)劃與跟蹤；機動性管理子模塊，針對碰撞規(guī)避機動、目標偵察、攻擊等相關(guān)戰(zhàn)術(shù)機動，進行合理規(guī)劃與優(yōu)化管理；性能管理子模塊，根據(jù)實際情況，規(guī)劃并管理平臺爬升飛行速度與垂直飛行剖面，以最大程度上滿足平臺最短時間或者最經(jīng)濟等多元性能具體要求；健康管理子模塊，就實際需要重構(gòu)平臺故障檢測、診斷、控制，并科學(xué)管理機載設(shè)備與傳感器；資源管理子模塊，全方位檢測管理平臺燃油狀態(tài)，以及飛行、任務(wù)時間，重新規(guī)劃可能觸發(fā)的任務(wù)或者路徑等；協(xié)同控制子模塊，進一步完成上層協(xié)同任務(wù)管理所明確的平臺協(xié)同、重構(gòu)控制；多模態(tài)管理子模塊，針對飛行器的具體飛行任務(wù)模態(tài)，即起飛、爬升、巡航、著陸；內(nèi)部模態(tài)，即動態(tài)特性實時變化與相關(guān)故障；外部模態(tài)，即基于環(huán)境與態(tài)勢改變造成的系統(tǒng)模態(tài)變化，進行全方位科學(xué)管控，同時生成符合模態(tài)的飛行控制與載荷控制相關(guān)指令。

4.3控制執(zhí)行模塊

圖5無人機自主智能飛行控制流程載荷控制子模塊，基于任務(wù)載荷管理模塊的目標搜索與跟蹤需求，對偵查傳感器進行目標搜索與跟蹤控制，同時就武器發(fā)射具體要求與條件，投放控制授權(quán)狀態(tài)的武器；飛行控制子模塊，面向飛行器平臺進行速度與姿態(tài)控制，以保持順利完成任務(wù)所要求的平臺飛行實時狀態(tài)[5]。無人機自主智能飛行控制流程具體如圖5所示。

5實驗分析

針對無人機自主智能控制系統(tǒng)的智能定位精確度與自主飛行性能，進行系統(tǒng)實驗分析。基于實驗條件與無人機實際使用需要，科學(xué)規(guī)劃無人機自主飛行實驗方案，具體如圖6所示。實驗場地則選擇寬敞無人的草坪上，遠離樹木與建筑物，防止信號被遮擋，實驗天氣則應(yīng)選擇晴朗，無風(fēng)或者微風(fēng)狀態(tài)。在開始實驗之后，無人機自主起飛，并根據(jù)任務(wù)點規(guī)劃的順序飛行，在飛行結(jié)束之后，自主降落到起始點位置上，同時退出任務(wù)管理體系與自主飛行模式。其中無人機飛行時的詳細信息，即位置、姿態(tài)、速度等都會自動儲存于飛行控制器存儲卡中[6]。在結(jié)束實驗之后，基于地面站程序重新播放呈現(xiàn)無人機的飛行日志，以獲取自主飛行控制真實軌跡，具體如圖7所示。在實驗中，任務(wù)管理體系基于計算機，根據(jù)實驗方案對無人機的自主起升下降進行了有效控制，無人機實現(xiàn)了多任務(wù)點之間的直線飛行，全部任務(wù)都嚴格按照預(yù)設(shè)順利完成，且未發(fā)生任何異常狀況。圖中任務(wù)點水平位置以經(jīng)緯度代表，空間兩點間的水平距離則通過公式計算[7]，即：(1)其中，d代表水平距離，單位為m；VE、VF代表E、F點緯度，單位為°；WE、WF代表E、F點經(jīng)度，單位為°；r代表地球半徑，為常數(shù)?；谏鲜綄θ蝿?wù)點位置與實測位置間的直線距離進行計算分析，以評估無人機自主飛行時的水平方向定位精確度，具體實驗結(jié)果[8]如表1所示。由表1可知，水平方向的定位誤差可控制0.14m以內(nèi)；基于無人機與地面之間的距離，與實驗方案中的設(shè)定值之間的誤差，可以看出，無人機既可保障飛行穩(wěn)定性，又可保持飛行高度，垂直誤差可控制在0.05m以內(nèi)；無人機到達任務(wù)點完成懸停任務(wù)時，可精確保持水平位置與垂直位置。

6結(jié)束語

綜上所述，為適應(yīng)無人機自主控制逐層發(fā)展，本文設(shè)計了無人機自主智能控制系統(tǒng)，并以無人機自主智能控制系統(tǒng)的智能定位精確度與自主飛行性能驗證為例，進行了系統(tǒng)實驗分析。結(jié)果表明，在實驗中，任務(wù)管理體系可基于計算機，根據(jù)實驗方案對無人機的自主起升下降進行了有效控制，并實現(xiàn)了多任務(wù)點之間的直線飛行，全部任務(wù)都嚴格按照預(yù)設(shè)順利完成，且未發(fā)生任何異常狀況；飛行時，水平方向的定位誤差可控制0.14m以內(nèi)；基于無人機與地面之間的距離，與實驗方案中的設(shè)定值之間的誤差，可以看出，無人機既可保障飛行穩(wěn)定性，又可保持飛行高度，垂直誤差可控制在0.05m以內(nèi)；無人機到達任務(wù)點完成懸停任務(wù)時，可精確保持水平位置與垂直位置。

作者:鄭先茂 班衛(wèi)華 孔慶鋒 李宇程 單位:廣西電網(wǎng)公司百色供電局