無人機自主智能控制系統設計淺析

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摘要:本文設計了無人機自主智能控制系統，并以無人機自主智能控制系統的智能定位精確度與自主飛行性能驗證為例，進行了系統實驗分析。結果表明，任務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，并實現了多任務點之間的直線飛行，水平方向定位誤差可控制0.14m以內；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；可精確保持水平位置與垂直位置。

關鍵詞:無人機；自主控制；智能系統

1引言

無人機(UAV)即不需要駕駛人員操縱，便可自主或者遠程控制實現飛行的機器人系統。于1917年英國首次成功研發(fā)了世界上的第一架無人機，且應用到了第一次世界大戰(zhàn)中。由此，無人機經常長遠的發(fā)展進程，在局部戰(zhàn)爭中充分發(fā)揮了關鍵性作用。早期，無人機在軍事領域的應用比較頻繁，隨著不斷發(fā)展逐步推廣到了農林業(yè)、電力行業(yè)、物流行業(yè)、地質勘探、環(huán)境監(jiān)測等各個民用領域。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用發(fā)展[1]。本文針對無人機設計了自主智能控制系統。

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過于繁雜，將全部數據信息與控制指令放置于中央處理器進行控制，勢必會導致控制系統紊亂，結構失衡，數據信息錯亂，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由任務系統、數據處理系統、協同作業(yè)系統共同構成，各系統分別由相應子系統組成，通過若干層級逐步劃分，最終基于無人機系統底層執(zhí)行單元負責系統指令執(zhí)行的相關任務。

3無人機自主智能控制系統整體設計

無人機各傳感器通過獲取外界環(huán)境相關信息，并傳輸于CPU加以處理、計算分析，從而得出結論，在此基礎上，將控制信息傳輸于各執(zhí)行部件，以實現自主智能控制。無人機自主智能感知系統示意圖具體如圖2所示。由圖可知，無人機的動作必須非常精確，除了穩(wěn)定，還要能到飛行到預期的高度并有效進行溝通，同時執(zhí)行相應任務。其中，慣性傳感器負責檢測和測量加速度、傾斜、沖擊、振動、旋轉和多自由度運動，是解決導航、定向和運動載體控制的重要部件；磁傳感器、傾角傳感器相結合可實時測量無人機飛行姿態(tài)；距離傳感器負責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，獲取測量距離數據，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，所以，需就溫度傳感器數據進行溫差補償，以確保測量數據信息精確性；加速度傳感器負責測量空間中各方向加速度?；跓o人機自主智能感知系統設計了無人機自主智能控制系統，其中不僅包含經典導航、制導、控制多項功能，還吸收了類似于人類認知行為的規(guī)劃、預測、決策、學習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的無人機自主智能控制系統功能具體即:決策性行為層功能為態(tài)勢感知、智能決策、任務規(guī)劃、任務管理等；反射性行為層在控制系統中負責飛行導航、制導、控制等；程序性行為層的作用是故障自主修復、環(huán)境自適應等。

4無人機自主智能控制系統詳細設計

基于人類認知行為模型的無人機自主智能控制系統，轉變決策性、反射性、程序性行為層為任務管理模塊、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、風險等級實時全方位評價；重新規(guī)劃子模塊，在預設規(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，需要針對在線任務與路徑進行重新規(guī)劃，以確保能夠適應實時變化的環(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)，并基于授權對其加強投放控制；特殊事件管理子模塊，以信息管理結果為基礎，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)性風險、目標消失、新目標衍生等等；協調管理子模塊，針對戰(zhàn)術或者戰(zhàn)略目標進行科學合理規(guī)劃與重規(guī)劃，并科學分配協同任務，正確作出協同決策與規(guī)劃；任務鏈管理子模塊，就已經規(guī)劃的任務進行實時調度管理，保障基于合適的時間地點，順利完成相關任務。

4.2飛行管理模塊

導航定位子模塊，基于平臺導航定位與多機協同，以相對導航定位與時空同步；航路點管理子模塊，面向任務完成、沖突消除、戰(zhàn)術激動等具體航路點，科學管控對其的實時規(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、攻擊等相關戰(zhàn)術機動，進行合理規(guī)劃與優(yōu)化管理；性能管理子模塊，根據實際情況，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濟等多元性能具體要求；健康管理子模塊，就實際需要重構平臺故障檢測、診斷、控制，并科學管理機載設備與傳感器；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、任務時間，重新規(guī)劃可能觸發(fā)的任務或者路徑等；協同控制子模塊，進一步完成上層協同任務管理所明確的平臺協同、重構控制；多模態(tài)管理子模塊，針對飛行器的具體飛行任務模態(tài)，即起飛、爬升、巡航、著陸；內部模態(tài)，即動態(tài)特性實時變化與相關故障；外部模態(tài)，即基于環(huán)境與態(tài)勢改變造成的系統模態(tài)變化，進行全方位科學管控，同時生成符合模態(tài)的飛行控制與載荷控制相關指令。

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的智能定位精確度與自主飛行性能，進行系統實驗分析?；趯嶒灄l件與無人機實際使用需要，科學規(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，實驗天氣則應選擇晴朗，無風或者微風狀態(tài)。在開始實驗之后，無人機自主起飛，并根據任務點規(guī)劃的順序飛行，在飛行結束之后，自主降落到起始點位置上，同時退出任務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]。在結束實驗之后，基于地面站程序重新播放呈現無人機的飛行日志，以獲取自主飛行控制真實軌跡，具體如圖7所示。在實驗中，任務管理體系基于計算機，根據實驗方案對無人機的自主起升下降進行了有效控制，無人機實現了多任務點之間的直線飛行，全部任務都嚴格按照預設順利完成，且未發(fā)生任何異常狀況。圖中任務點水平位置以經緯度代表，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點經度，單位為°；r代表地球半徑，為常數。基于上式對任務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；基于無人機與地面之間的距離，與實驗方案中的設定值之間的誤差，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；無人機到達任務點完成懸停任務時，可精確保持水平位置與垂直位置。

6結束語

綜上所述，為適應無人機自主控制逐層發(fā)展，本文設計了無人機自主智能控制系統，并以無人機自主智能控制系統的智能定位精確度與自主飛行性能驗證為例，進行了系統實驗分析。結果表明，在實驗中，任務管理體系可基于計算機，根據實驗方案對無人機的自主起升下降進行了有效控制，并實現了多任務點之間的直線飛行，全部任務都嚴格按照預設順利完成，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；基于無人機與地面之間的距離，與實驗方案中的設定值之間的誤差，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；無人機到達任務點完成懸停任務時，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:廣西電網公司百色供電局