無人機(jī)自主智能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)淺析

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摘要:本文設(shè)計(jì)了無人機(jī)自主智能控制系統(tǒng)，并以無人機(jī)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(yàn)證為例，進(jìn)行了系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)分析。結(jié)果表明，任務(wù)管理體系可基于計(jì)算機(jī)，對無人機(jī)的自主起升下降進(jìn)行有效控制，并實(shí)現(xiàn)了多任務(wù)點(diǎn)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(jī)；自主控制；智能系統(tǒng)

1引言

無人機(jī)(UAV)即不需要駕駛?cè)藛T操縱，便可自主或者遠(yuǎn)程控制實(shí)現(xiàn)飛行的機(jī)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(jī)，且應(yīng)用到了第一次世界大戰(zhàn)中。由此，無人機(jī)經(jīng)常長遠(yuǎn)的發(fā)展進(jìn)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(jī)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(gè)民用領(lǐng)域。而無人機(jī)自主化是當(dāng)前無人機(jī)的主要發(fā)展趨勢，必然會在一定程度上促進(jìn)無人機(jī)的廣泛深層應(yīng)用發(fā)展[1]。本文針對無人機(jī)設(shè)計(jì)了自主智能控制系統(tǒng)。

2無人機(jī)自主智能控制等級劃分分析

無人機(jī)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(jìn)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(cuò)亂，不僅會阻礙無人機(jī)維護(hù)與管理工作開展，還會大大降低無人機(jī)CPU計(jì)算與處理速度。所以就無人機(jī)自主控制系統(tǒng)的控制流程與特性，進(jìn)行控制等級劃分[2]，具體如圖1所示。由圖可知，無人機(jī)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(jī)系統(tǒng)底層執(zhí)行單元負(fù)責(zé)系統(tǒng)指令執(zhí)行的相關(guān)任務(wù)。

3無人機(jī)自主智能控制系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

無人機(jī)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(jì)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(shí)現(xiàn)自主智能控制。無人機(jī)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(jī)的動(dòng)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(jìn)行溝通，同時(shí)執(zhí)行相應(yīng)任務(wù)。其中，慣性傳感器負(fù)責(zé)檢測和測量加速度、傾斜、沖擊、振動(dòng)、旋轉(zhuǎn)和多自由度運(yùn)動(dòng)，是解決導(dǎo)航、定向和運(yùn)動(dòng)載體控制的重要部件；磁傳感器、傾角傳感器相結(jié)合可實(shí)時(shí)測量無人機(jī)飛行姿態(tài)；距離傳感器負(fù)責(zé)探測無人機(jī)與周圍障礙物的間距，避免無人機(jī)和外界物體相互碰撞，或者測量無人機(jī)與目標(biāo)之間的距離，獲取測量距離數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)顯示在控制面板上；溫度傳感器可測驗(yàn)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(jìn)行溫差補(bǔ)償，以確保測量數(shù)據(jù)信息精確性；加速度傳感器負(fù)責(zé)測量空間中各方向加速度。基于無人機(jī)自主智能感知系統(tǒng)設(shè)計(jì)了無人機(jī)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(xiàng)功能，還吸收了類似于人類認(rèn)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(rèn)知行為為基礎(chǔ)的無人機(jī)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(fù)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(jī)自主智能控制系統(tǒng)詳細(xì)設(shè)計(jì)

基于人類認(rèn)知行為模型的無人機(jī)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(jìn)行信息融合、環(huán)境感知、目標(biāo)身份、意圖識別、風(fēng)險(xiǎn)等級實(shí)時(shí)全方位評價(jià)；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(shí)，需要針對在線任務(wù)與路徑進(jìn)行重新規(guī)劃，以確保能夠適應(yīng)實(shí)時(shí)變化的環(huán)境狀態(tài)；載荷管理子模塊，面向目標(biāo)進(jìn)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(qiáng)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(xiǎn)、目標(biāo)消失、新目標(biāo)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(biāo)進(jìn)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(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)度管理，保障基于合適的時(shí)間地點(diǎn)，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(jī)協(xié)同，以相對導(dǎo)航定位與時(shí)空同步；航路點(diǎn)管理子模塊，面向任務(wù)完成、沖突消除、戰(zhàn)術(shù)激動(dòng)等具體航路點(diǎn)，科學(xué)管控對其的實(shí)時(shí)規(guī)劃與跟蹤；機(jī)動(dòng)性管理子模塊，針對碰撞規(guī)避機(jī)動(dòng)、目標(biāo)偵察、攻擊等相關(guān)戰(zhàn)術(shù)機(jī)動(dòng)，進(jìn)行合理規(guī)劃與優(yōu)化管理；性能管理子模塊，根據(jù)實(shí)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(shí)間或者最經(jīng)濟(jì)等多元性能具體要求；健康管理子模塊，就實(shí)際需要重構(gòu)平臺故障檢測、診斷、控制，并科學(xué)管理機(jī)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(shí)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(jìn)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(dòng)態(tài)特性實(shí)時(shí)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(jìn)行全方位科學(xué)管控，同時(shí)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(jī)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(biāo)搜索與跟蹤需求，對偵查傳感器進(jìn)行目標(biāo)搜索與跟蹤控制，同時(shí)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(jìn)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(shí)時(shí)狀態(tài)[5]。無人機(jī)自主智能飛行控制流程具體如圖5所示。

5實(shí)驗(yàn)分析

針對無人機(jī)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(jìn)行系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)分析?；趯?shí)驗(yàn)條件與無人機(jī)實(shí)際使用需要，科學(xué)規(guī)劃無人機(jī)自主飛行實(shí)驗(yàn)方案，具體如圖6所示。實(shí)驗(yàn)場地則選擇寬敞無人的草坪上，遠(yuǎn)離樹木與建筑物，防止信號被遮擋，實(shí)驗(yàn)天氣則應(yīng)選擇晴朗，無風(fēng)或者微風(fēng)狀態(tài)。在開始實(shí)驗(yàn)之后，無人機(jī)自主起飛，并根據(jù)任務(wù)點(diǎn)規(guī)劃的順序飛行，在飛行結(jié)束之后，自主降落到起始點(diǎn)位置上，同時(shí)退出任務(wù)管理體系與自主飛行模式。其中無人機(jī)飛行時(shí)的詳細(xì)信息，即位置、姿態(tài)、速度等都會自動(dòng)儲存于飛行控制器存儲卡中[6]。在結(jié)束實(shí)驗(yàn)之后，基于地面站程序重新播放呈現(xiàn)無人機(jī)的飛行日志，以獲取自主飛行控制真實(shí)軌跡，具體如圖7所示。在實(shí)驗(yàn)中，任務(wù)管理體系基于計(jì)算機(jī)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)方案對無人機(jī)的自主起升下降進(jìn)行了有效控制，無人機(jī)實(shí)現(xiàn)了多任務(wù)點(diǎn)之間的直線飛行，全部任務(wù)都嚴(yán)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(diǎn)水平位置以經(jīng)緯度代表，空間兩點(diǎn)間的水平距離則通過公式計(jì)算[7]，即：(1)其中，d代表水平距離，單位為m；VE、VF代表E、F點(diǎn)緯度，單位為°；WE、WF代表E、F點(diǎn)經(jīng)度，單位為°；r代表地球半徑，為常數(shù)?；谏鲜綄θ蝿?wù)點(diǎn)位置與實(shí)測位置間的直線距離進(jìn)行計(jì)算分析，以評估無人機(jī)自主飛行時(shí)的水平方向定位精確度，具體實(shí)驗(yàn)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(jī)與地面之間的距離，與實(shí)驗(yàn)方案中的設(shè)定值之間的誤差，可以看出，無人機(jī)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(jī)到達(dá)任務(wù)點(diǎn)完成懸停任務(wù)時(shí)，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(jī)自主控制逐層發(fā)展，本文設(shè)計(jì)了無人機(jī)自主智能控制系統(tǒng)，并以無人機(jī)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(yàn)證為例，進(jìn)行了系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)分析。結(jié)果表明，在實(shí)驗(yàn)中，任務(wù)管理體系可基于計(jì)算機(jī)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)方案對無人機(jī)的自主起升下降進(jìn)行了有效控制，并實(shí)現(xiàn)了多任務(wù)點(diǎn)之間的直線飛行，全部任務(wù)都嚴(yán)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(shí)，水平方向的定位誤差可控制0.14m以內(nèi)；基于無人機(jī)與地面之間的距離，與實(shí)驗(yàn)方案中的設(shè)定值之間的誤差，可以看出，無人機(jī)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(jī)到達(dá)任務(wù)點(diǎn)完成懸停任務(wù)時(shí)，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