1、無人機競技大賽技術解決方案UAVcontrolandsystemintegrators零度智控（北京）智能科技有限公司版權所有目錄1項目背景及需求分析32系統設計原則43系統設計方案53.1 兩種系統方案53.2 兩種方案的比較53.3 系統硬件整體概述63.4 系統示意圖63.5 YS100的主控板介紹73.5.1 核心板外觀73.5.2 核心板物理參數73.5.3 核心器件介紹83.6 其他相關硬件83.6.1 電源部分83.6.2 通訊鏈路93.7 地面站介紹：104YS100系統如何實現此次比賽的要求111.1.0 理論基礎111 飛機總能量控制理論111 視覺導航簡介121.2.0

2、過程分析151 起飛151 降落過程分析151 著艦過程分析155無人機配置方案176系統性能和安全性171項目背景及需求分析在我國國民經濟繁榮發展的新時期，航空事業的發展正面臨歷史機遇。為普及航空科技知識，推動航空科技創新發展，營造航空文化氛圍，提高國民航空意識。2010年11月17日下午在珠海航展上，舉行了“中航工業杯一國際無人飛行器創新大獎賽”的啟動儀式。儀式結束后，由于零度智控在無人機領域所處的領先地位，有很多客戶來電咨詢我們能否提供無人機大賽的技術。我們仔細分析了此次競技大賽的要求，首先大賽要求設計和制造小型常規固定翼無人機系統，完成自主起飛，空中自主飛行，和在模擬航母甲板上的自主著

3、艦演示飛行。其次可以看出精確起飛、航線飛行和下滑攔截著艦是此次競技大賽的得分重點。最后先進的引導原理以及飛行控制穩定精確穩定，則決定得分的高低。結合我公司自主創新的先進無人機飛行控制技術，通過理論論證，建模分析、模擬仿真，以及后期實際實驗試飛，開發出了符合此次競技大賽要求的無人機控制YS100系統。我公司的YS100系統，在天氣良好的良好下：精準自主起飛和航線飛行的成功率在90%,而帶動力自主著艦并成功掛住繩索的成功率在85%以上。如果客戶您在此次競技大賽中使用了我公司的無人機控制YS100系統，那么您在比賽中取得好成績就多了一份保障。2系統設計原則根據比賽要求，系統要實現飛機與地面站的雙向數

4、據交換，擬用采用兩種鏈路模式：ADS模式，實現飛機定時向地面站發送報告的功能。RC模式，實現地面站向飛機發送詢問、控制指令的功能。針對小型無人機機體體積小、重量輕、實時性要求的特點，系統設計遵循如下原則：FortyForty .方案完全遵循比賽規則的要求，大膽創新的思想，發揚航空文化以及展現綠色航空的理念。Forty-oneForty-one .飛控主板以及機載通訊設備力求輕便。Forty-twoForty-two .要求傳輸設備性能良好，飛控主板處理能力高、實時性好。Forty-threeForty-three .地面站軟件設計遵循易用原則，用戶界面設計友好、直觀、統一規范。Forty-fo

5、urForty-four .安全性能可靠，有應急操作程序和特情處置預案。3系統設計方案兩種系統方案此次競技大賽中，飛行器按要求自主降落著艦過程尤其重要，是設計的難點同時也是比賽得分的重點。根據引導原理的不同，我們提出了兩種解決方案。方案1.使用DGPS/GPS引導系統。方案2.使用視覺導航和超聲波測高輔助引導。兩種方案的比較方案1.DGPS/GPS引導系統，雖然精度高，使用簡單，但是信號容易受到無線電信號干擾并易丟失。而且傳統設計方法亮點不夠，難以在設計上勝人一籌。方案2.視覺導航和超聲波測高輔助引導是一個比較新穎的方法，雖然它成本高，控制算法難度大，但是視覺導航獲取的位置信號不受其他信號的干

6、擾，能夠使飛機在降落時，安全自主降落在規定區域內，相應的得分機比較多。從客戶的角度出發，為在比賽中獲得好的成績，我們接下來重點論述方案2,使用視覺導航和超聲波測高輔助引導。系統硬件整體概述該硬件系統是ARM9+FPGA的經典嵌入式架構，結合IMU和加速度計等傳感器以及外圍電路實現控制飛機平衡的一個獨立、完整的硬件系統。它的主要功能為實現如何控制飛機在飛行過程中的平衡進行分析，通過系統中的陀螺儀和加速度計組成的一個精確無漂移的慣性姿態平衡系統。同時利用GPS、氣壓傳感器、超聲波傳感器和視覺導航的方法獲得飛機當前精確的三維定位，通過結合姿態控制和定位，實現飛行器的慣性導航和自動駕駛。系統示意圖圖1

7、系統示意圖YS100的主控板介紹核心板外觀圖2主板外觀圖核心板物理參數尺寸：107.1mm*57.0mm重量：46g存儲溫度：-40+65C；工作溫度：-20+55C;核心器件介紹微處理器采用基于ARM9架構的AT91RM9200,主頻最高200MHz，搭配FPGA實現多路脈寬信號的同時捕獲、無時差輸出，以及高速的陀螺信號讀??；A/D器件采用AD公司的ADS1256,24位高精度，8路通道差分輸入，除了采集3軸加速度和3軸角速度信息外，還可采集電池電壓以及進行電流測量；超聲波傳感器測高精度1cm,測量范圍為5m;氣壓計采用Intersema公司的MS5534壓力計，測量精度為0.1mbar,即

8、10帕斯卡，對應約0.8米的測高精度；GPS模塊采用ublox公司的LEA5代芯片，最高4Hz輸出。該系統還集成一個只高端的IMU慣性傳感器ADIS16405,它是一款完整的三軸陀螺儀、磁力計與加速計慣性檢測系統，這款傳感器結合了混合信號處理技術，提供校準的數字慣性檢測，是高集成度的解決方案，體積為23m訴23m訴23mm,重量不超過16g。其他相關硬件電源部分飛控板：YS100自動駕駛儀的供電電壓是720V,推薦的供電電壓是12V,可使用3節鋰電池串聯供電；接收機：電源由飛控主板提供，無需外接電源；舵機：外接電源，供電電壓4.86V,并與自動駕駛儀的舵機輸出共地。通訊鏈路.接收機部分系統使用

9、頻率應符合國家無線電管理委員會的頻率分配規定，所以我們系統推薦使用10通的72M或者2.4G的接收機。.數字電臺部分：該系統的通訊鏈路并不是YS自動駕駛儀內部的一個模塊，用戶應使用外置的通訊鏈路模塊來實現自動駕駛儀和地面控制軟件間的通訊。YS100自動駕駛儀使用的通訊鏈路應是雙向的。上行鏈路負責傳送地面人員發出的指令，傳送航點規劃等等。下行鏈路則負責傳送飛行狀態等遙測信息。YS100自動駕駛儀與通訊鏈路之間的異步串行接口是RS-232;需要用戶為通訊鏈路提供單獨的供電電源。3.GPS部分YS100自動駕駛儀選用平板式GPS天線，該天線接收信號的能力較強，并且能有效克服地面反射的虛假信號。在安裝

10、時，應注意將天線的上表面向上，且水平放置，周圍不應有金屬遮擋物。3.7地面站介紹:地面站軟件與飛機進行雙向數據通訊，主要有以下作用：設置飛控參數；標定與設置參數；飛控飛行PID實時調整；監視與控制飛行狀態；圖形化顯示飛行數據；可視化編輯飛行航線（航點）；控制任務載荷；回放飛行數據及照片數據。圖3地面站軟件界面4YS100系統如何實現此次比賽的要求理論基礎飛機總能量控制理論升降舵和油門桿對飛機響應的耦合特性使得基于單輸入單輸出的控制器設計方法不能實現飛行速度和飛行航跡的單獨控制在飛機低動壓飛行狀態下飛行速度/航跡耦合更加劇烈.如飛機著陸進場階段1度的航跡角偏差可產生2m/s的速度偏移.5s由1m

11、/s的速度偏差可產生6m的高度偏移.飛行速度/航跡去耦合控制律設計是改善飛機縱向機動性能，提高飛機著陸精度的有效途徑.目前一般的做法是在高度保持模態下進行速度控制或在速度保持模態下進行高度切換，但由于缺少舵面和油門桿間合適的協同控制，解耦控制效果并不理想.將偏差控制引入到基于飛機總能量控制的飛行航跡/速度解耦控制中，從而實現對飛行速度/飛行高度的無穩差控制，又能保證不損失以能量控制為核心建立起來的控制量動態信息基于飛機總能量控制的飛機速度/航跡解耦控制理論的簡單介紹，飛機的能量方程可如下表示ET=GV2/2g+Gh(1)式中，ET為飛機總能量，它由飛機的動能和勢能兩部分組成。G為飛機重量，g為

12、重力加速度，V為空速，h為飛行高度.F面給出基于飛機總能量控制解耦控制的核心算法結構圖圖4算法結構圖Rc、Vc為系統期望的航跡角和飛行速度。YS100飛控系統中縱向控制模態設計中包括：航跡角跟蹤，高度跟蹤，下滑角跟蹤，垂直導航，空速跟蹤，時間導航。通過建模仿真后得出的結論是，在基于飛機總能量控制的核心算法的基礎上，引入偏差控制以消除系統對飛行速度和飛行高度的穩態誤差，從而顯著提高系統的解耦性能。使所設計解耦控制律對飛機參數不確定性和干擾不確定性具有一定的魯棒性。視覺導航簡介無人機自動著陸導航的關鍵參數是飛機在地面上某一固定坐標系中的坐標(x,y,z)。視覺導航系統基于投影幾何學，利用圖像跟蹤技

13、術及三角解算獲取空間位置。其基本思路是通過機載圖像傳感器獲取跑道圖像，提取跑道特征量后與已知參考位置的特征量進行比較，來確定無人機的空間相對位置?？紤]到機載圖像采集裝置的可維護性及圖像穩定性等因素，故把圖像傳感器安裝在地面跟蹤系統上，從而實現地面導航，如圖5所示:圖5視覺導航原理框圖處理圖像信號n向度控II.圖像信號信號值二軸轉臺轉臺省轉臺的角度及困扃轉臺的角度（俯仰，方位）制信號有R小轉臺翅可以一軸轉口導航1算機及圖像處理計算機圖6雙視覺導航系統導航方法可以采用單視覺或者雙視覺導航，這里只對雙視覺導航進行簡單介紹。為采用2個圖像采集分系統的雙攝像機視覺導航系統，如6圖所示，2個圖像跟蹤系統分

14、別放置在跑道兩側，利用圖像跟蹤技術在圖像中鎖定無人機，圖像采集裝置（攝像機）安裝在二軸轉臺上，以精確記錄偏轉角度。其方位角記為a1、混，轉臺偏轉俯仰角記為（31、區。通過角度及轉臺間的距離，可確定無人機的相對空間位置。雙攝像機視覺導航需2個圖像跟蹤系統同時工作，依三角測距原理測定距離。取系統中的某臺攝像機鏡頭中心(如左攝像機)為原點建立地面坐標系，在x軸上安裝圖像跟蹤系統，設2攝像機鏡頭中心距離為S。該系統將各自測得的轉臺俯仰角和方位角通過串口或網絡傳入導航計算機。如圖7,A為飛機所在位置，0102=S,a1、o2,01、國可從2個圖像跟蹤系統中的轉臺中直接獲取，令HG=h,由：h*tand+

15、h*tan淀=S和h=S/(tanal+tan淀)得飛機在地面坐標系中的坐標(x,y,z):x=h*tand=s*tana1/(tana1+tano2)y=h*tan(31/cos-1=s*tan31/(cos*(tan-1+tano2)z=-h=-s/(tan-1+tano2)A圖7雙攝像定位原理圖過程分析起飛YS100系統在安裝調試完成后，起飛過程非常簡單。通電并確認GPS定位后，上傳規劃好的航線后，將遙控器第5通道開關撥到自動駕駛模式，飛行器即自動起飛。在自主起飛后，通過飛控內部程序來控制，飛行器會按直線飛行慢慢爬高，從而通過順利通過限寬門，進入航線飛行。降落過程分析無人機在完成全場飛行

16、后，自主降落目標區域。地面會需要在著艦區兩側放各一個攝像機，通過對地面視頻采集系統中攝象機朝天觀測的視頻圖像進行分析處理，圖像處理算法采用自動目標識別（ATR）和三角解算的方法，在固定的背景里提取出飛機所在空間里的實時三維坐標，即通過視頻測量飛機的位置，來控制修正飛機的軌跡，引導飛機降落的高度偏差和位置偏差這樣通過不斷的坐標計算，足夠保證飛機在自主降落后順利通過限寬門。著艦過程分析飛行器降落最后一步是帶動力滑跑式著艦，通過飛行器的地鉤勾著著艦區域的繩索順利完成降落。首先比賽規定艦上攔阻索為長度8米、直徑5毫米的尼龍索，中心高出有效著艦區平面30毫米。這時采用超聲波傳感器測高度來輔助著艦。因為當

17、飛機進入甲板上空時時由于甲板高出地面0.8米（見比賽規則），超聲波會測量高度變化很大，CPU檢測到該信號后，開始計時（超聲波測高每秒可刷新40次），飛機此時的速度是GPS速度，比較準確，于是可以計時間推算出飛機過了甲板以后的位置。這樣，推算出過了第1根索的時間（第1根索離甲板邊緣的距離是固定的，比賽規則中大概是16米多），然后觸地放鉤，而兩根索的距離是4米，GPS的速度誤差和時間計算使飛控獲得的過第2根索的時間距離誤差不會超過4米。由此可見，YS100系統完全實現了飛行器飛行器帶動力滑跑式攔阻著陸。示意圖如下：有效若艦區圖8著艦示意圖5無人機配置方案部件名稱數量單價（萬）總價（萬）備注電動無人

18、飛行平臺1套YS100100飛控計算機1套1010電動版數據測控電臺1套111機載端高清CCDg像頭1套0.50.5標配圖像傳輸端1套22標配地回控制站便攜式地回控制站1套55標配，含地回站軟件數據測控電臺1套11地面端測控天線組1套0.50.5全向、定向天線圖像接收端1套22標配筆記本計算機2套用戶自配地面導航系統1套1010技術服務和維修保障費包含：人工、調試、安裝、培訓等技術服務55合計1套電動無人機平臺，1套地卸站標配37萬；6系統性能和安全性集成4Hz更新率GPS,數字式空速、氣壓傳感器，0.1mbar高精度，高度測量可擴展無線電高度計;集成高質量IMU,通過帶GPS修正的Kalman濾波計算最貼近真實情況的飛機姿態，動態精度土2o,消除瞬時加速度、陀螺漂移對姿態計算的影響；使用跳頻遙控信道傳輸遙控指令，跳頻902930MHz,屏棄普通無線遙控器，相當于擴展了跳頻抗干擾遙控增程器，遙控控制距離增強到電臺的控制距離（地對空1050km以上），抗干擾性極強，在電磁環境復