無人機自主智能控制系統(tǒng)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(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(tǒng)
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(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(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(tǒng)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(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)由任務系統(tǒng)、數據處理系統(tǒng)、協同作業(yè)系統(tǒng)共同構成，各系統(tǒng)分別由相應子系統(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)行單元負責系統(tǒng)指令執(zhí)行的相關任務。
3無人機自主智能控制系統(tǒng)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(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。基于無人機自主智能感知系統(tǒng)設計了無人機自主智能控制系統(tǒng)，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(tǒng)功能具體即:決策性行為層功能為態(tài)勢感知、智能決策、任務規(guī)劃、任務管理等；反射性行為層在控制系統(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)，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(tǒng)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(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?；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?；谏鲜綄θ蝿拯c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(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
