无人直升机飞行控制系统设计报告

1、无人直升机飞行行控制系统设设计报告摘要： 本文介介绍了用于无无人直升机控控制的飞行控控制系统结构构和分部分的的主要性能，详详细阐述了系系统设计方案案以及设计思思想。 一 整体系统描描述 整个系系统可以分为为机载部分和和地面部分，机机载部分负责责维持飞机的的稳定飞行并并提供图像信信息给地面部部分，地面部部分根据飞机机的状态以及及得到的图像像信息作出下下一步飞行的的目标规划并并发送给机载载部分，同时时为了确保安安全，防止自自主飞行机构构失控，添加加了可由操作作手控制的控控制器。地面面部分与机载载部分之间有有两条数据链链路负责传送送图像和传送送飞行状态和和指令。图像像传送的数据据链路通过购购买成品解

2、决决，另外负责责传送飞行状状态和指令的的部分也已经经有方案可以以解决（目前前正在开发的的部分虽然包包括扩频通信信，但是由于于技术原因不不能确保在比比赛中的可用用性，所以这这部分只是作作为研究性的的项目）。地地面部分可以以分为地面站站和图像处理理平台，前者者与机载飞行行控制器通讯讯以发送控制制命令并获得得飞机状态信信息，后者获获取机载摄像像头的图像并并做处理以搜搜寻比赛目标标。机载部分分将在后一部部分详述。二 飞机内部系系统描述 为了完完成自主飞行行任务，飞机机需要相关功功能部件完成成对飞机状态态信息的采集集、对执行部部分的控制以以及对地面站站命令的响应应等功能。在在无人机上，替替代飞行员或或操

3、作手完成成飞行任务的的自主机构包包括图像设备备、飞控模块块、高度测量量、舵机控制制、数据链路路以及航姿仪仪等，如下图图所示： 图像设备 飞控模块块 高度测量 舵舵机控制 数据据链路 航姿仪 各个模块之之间相对独立立，均可单独独完成一定的的功能，模块块之间的相互互连接采用总总线实现，硬硬件上采用PPC104标标准，便于安安装和系统集集成。虽然采采用的总线是是较可靠的通通讯标准，但但是在直升机机实际飞行的的环境中存在在震动、电磁磁等干扰因素素，可能影响响到数据传输输的可靠性，为为了保证正确确的数据传输输，采用了两两套互为备份份的总线系统统422总总线和CANN总线。4222总线为现现有UAV系系统

4、采用的标标准，具有技技术较成熟的的优势；CAAN总线对于于数据包的传传送更为方便便，克服了4422只能采采用主从模式式以及工作在在轮询模式的的缺点，并且且具有更高的的数据传输速速度，是一种种较新的标准准，使用CAAN总线也是是对系统方案案升级的尝试试。 惯性导航系统与与GPS 为了实实现对直升机机姿态的控制制，需要有飞飞机各个方向向的速度位置置信息等，惯惯性导航系统统的算法通过过对惯性测量量单元(IMMU)提供的的加速度和角角加速度的积积分，得到机机体的位置、速速度和姿态信信息(PVAA)。从硬件件上来说，该该模块是实现现了对各个加加速度和角加加速度传感器器的信息采集集，但是仅仅仅通过以上简简

5、单的惯导算算法本身很难难得到有用的的信息，惯性性传感器的漂漂移和定步长长积分的累计计误差会使计计算结果很快快偏离实际值值。导航系统统必须考虑这这些误差因素素并对得到的的PVA结果果作出修正。 惯性导航系统可可分为平台惯惯导系统和捷捷联惯导系统统，平台惯导导系统是通过过一个机械平平台把惯性敏敏感元件与机机体的角运动动隔离开、使使之跟踪某个个给定的坐标标系，从而给给出相对于给给定坐标系的的运动信息，而而捷联惯导系系统是将惯性性敏感元件直直接固定在飞飞行器机体上上，通过计算算机采集惯性性元件的输出出并解算出飞飞行器相对于于给定坐标系系的运动信息息。捷联惯导导系统相对于于平台系统来来说，通过计计算机程

6、序实实现了平台的的作用，简化化了硬件复杂杂性，提高了了系统的可靠靠性和可维护护性，更容易易实现。惯性导航模块的的设计目标是是实现一个独独立的数字捷捷联惯导系统统：采集惯性性敏感元件的的输出信号并并进行解算，给给出飞行器相相对与给定坐坐标系的运动动信息，通过过总线实时地地发送给飞行行控制计算机机。系统最初的设计计方案中包括括如下部分：角速度传感感器，加速度度传感器，磁磁性传感器，实实现信号采集集和运算的DDSP。由于于时间紧迫，惯惯性导航模块块仅实现对陀陀螺和加速度度计的数据采采集，通过总总线实时的发发送给飞控计计算机，下一一步的运算工工作由飞控计计算机进行。惯性导航模块的的硬件主要包包括两个双

7、轴轴陀螺、两个个双轴加速度度计（组成六六自由度的惯惯性敏感元件件）和一个面面向控制的DDSP。陀螺：Gyraatoin公公司MicrroGyroo100，测测量范围1150度/秒秒，解析度00.15度/秒，模拟输输出。加速度计：ADD公司ADXXL202，测测量范围22g，分辨率率2mg，PPWM数字输输出。DSP：TI公公司面向控制制的TMS3320F28812，它具具有150MM的主频，内内部集成了齐齐全的外设，包包括：增强型型CAN模块块，增强型串串口通信控制制模块，122位高速A/D转模块，串串行设备模块块，多路缓冲冲串口模块(McBSPP)和能够产产生和读取PPWM波的事事件管理器。

8、视觉处理视觉是无人机的的一个重要部部分，无人机机的一个重要要应用：无人人侦察，就是是以计算机视视觉为基础。视觉程序的目的是：从直升机上面的摄像头拍到的图片中检测出固定的几类图标的位置。整个检测过程分分为两个阶段段，第一个阶阶段从图片中中检测出图标标所在矩形的的位置，并放放缩为32*32大小的的标准矩形；第二个阶段段对这个标准准矩形进行判判断，决定它它是哪类图标标。三个标准图标如如下： 第一阶段获取矩矩形位置的流流程是（结合合一个例子具具体介绍）：原始图片如下：首先从摄像头传传回的视频中中得到一帧图图片，将其转转换为灰度图图；然后对其其进行均值滤滤波平滑处理理，消除掉图图片上的一些些杂质；接下下

9、来进行soobel边缘缘检测，将矩矩形从图像中中分离出来，在在边缘检测的的同时也进行行了阈值化的的过程。边缘检测后结果果如下：为了让矩形边缘缘闭合，进行行一步开运算算操作（矩形形边缘是黑色色）；然后进进行前景提取取，通过点连连通的方式来来把图片分为为一块一块的的连通区域，每每块区域都存存储为一个数数据结构，认认为其中最大大的一块区域域为背景，将将其置为黑色色，其他的部部分全部置为为白色；下一一步是边缘提提取，这步和和前面的soobel边缘缘检测不同的的地方在于，ssobel边边缘检测将矩矩形分割出来来，但是程序序仍旧不知道道矩形在哪里里，而边缘提提取之后可以以得到矩形的的确切位置，做做法还是利

10、用用连通性得到到一个区域的的外边缘点，因因为区域的点点前面已经存存储，这一步步很好进行。获取边缘后结结果如下：得到区域边缘后后还需要判断断这是不是矩矩形或者平行行四边形，这这一步的做法法是：首先得得到一个区域域的中心，然然后判断离这这个中心最远远的点作为矩矩形的第一个个角点，计算算离第一个角角点最远的点点为第二个角角点（即首先先检测一条对对角线），距距离第一、第第二个角点连连线最远的点点为第三个角角点，距离前前三个角点构构成的三角形形区域的最远远点为第四个个角点；检测测出四个角点点后，判断矩矩形方法是判判断两条对角角线的交点（矩矩形中心）附附近是否有点点存在，因为为图像已经是是完全的边缘缘图像

11、，一个个区域的内部部已经没有点点存在，如果果中心附近有有点，说明此此图形并非矩矩形，很可能能是类似三角角形或者不规规则多边形，这这样的区域直直接否决掉。剩剩下满足要求求的区域放缩缩到32*332大小的标标准区域中，进进入下一步处处理。放缩的结果如下下：第二阶段需要判判断32*332大小的区区域是哪一个个图标。方法法是：把322*32大小小的区域认为为是10244的一个向量量空间，事先先准备好3幅幅标准图标，每每幅图标有44个方向，所所以一共是112类图标，根根据转换矩阵阵计算每类图图标在向量空空间中的位置置；然后把第第一阶段得到到的区域乘以以转换矩阵，得得到它在向量量空间中的位位置，判断它它和

12、那一类图图标最接近，就就属于哪一类类，并计算出出匹配度。经经过实际实验验，我的标准准是：图标11、2的匹配配度标准是660，图表33的匹配度标标准是56，低低于这个值则则认为是干扰扰目标。最终结果如下：地面站部分：地面控制站程程序的作用是是观察飞机的的各项飞行信信息，包括GGPS信息、飞飞机状态信息息、飞行航迹迹信息等，并并可以发送命命令对其进行行控制。地面面站和飞机之之间的通讯遵遵循设定好的的测控协议。 地面站站界面如下：界面的左面显示示的是飞行轨轨迹，目前看看不出来；蓝蓝色的文字是是显示飞机发发送回来的GGPS信息和和三轴线加速速度、角速度度信息。界面右边的各项项文字、仪表表显示了飞机机的

13、各种状态态信息，数。可可以用于分析析飞机的运行行情况，其中中右中的4个个操纵杆可以以给飞机设定定升降舵、方方向、风门、副副翼四个参量量。界面下方的按钮钮群是主要的的操作部分，可可以通过点击击相应按钮进进行各种操作作；其中大部部分操作在菜菜单中也有对对应项。界面最底下的一一栏是状态栏栏，显示了一一些程序运行行的信息。飞机如果进入入自主飞行状状态，地面站站有设定好的的遍历方法用用于决定飞机机将飞向何处处以及如何遍遍历整个场地地。遍历方法法基本上是利利用状态机来来实现，具体体设定如下：飞行路线（循循环进行）：0 | 7 | 6554 | 3 | 0112设定一个状态态变量traackStaatus表

14、示示当前飞机所所处位置trackkStatuus = 00: 飞机机处于悬停状状态，位于左左边界，将横横向飞；trackkStatuus = 11: 飞机机处于向前飞飞状态，航向向横向向左；trackkStatuus = 22: 飞机机处于悬停状状态，位于右右边界，将纵纵向飞；trackkStatuus = 33: 飞机机处于向前飞飞状态，航向向纵向；trackkStatuus = 44: 飞机机处于悬停状状态，位于右右边界，将横横向飞；trackkStatuus = 55: 飞机机处于向前飞飞状态，航向向横向向右；trackkStatuus = 66: 飞机机处于悬停状状态，位于左左边界，将

15、纵纵向飞；trackkStatuus = 77: 飞机机处于向前飞飞状态，航向向纵向；其中飞机如果果处于0、22、4、6状状态，将持续续向左边或右右边转弯，直直到转到设定定的方向，即即进入下一个个状态；飞机机如果处于11、3、5、77状态，将持持续向前飞，直直到飞到设定定的距离，即即进入下一个个状态。所以以整个状态机机通过判断飞飞机当前的状状态和是否满满足条件来决决定是否进入入下一个状态态。 地面站站和视觉程序序结合起来，利利用飞机当前前的高度、航航向以及飞机机所处的位置置，可以计算算出图标的实实际经纬度信信息，这也是是比赛的最终终要求。超声波高度测量量 虽然GPPS系统或者者惯导系统都都可以

16、提供高高度信息，但但是对于实现现直升机起飞飞降落这样的的任务来说，这这些高度信息息的精度是无无法满足要求求的，需要有有超声测距、红红外测距或者者激光测距等等高精度的距距离测量方法法。激光测距距的精度较高高，但是购买买的成本较高高，自己开发发的难度也更更大；红外测测距的作用距距离有限，同同样存在着开开发难度较大大的问题；超超声测距结合合了测量距离离较远（可测测10m）以及开开发难度低的的优点，因此此选择超声高高度测量方案案。另外超声声波具有指向向性强，能量量消耗缓慢，在在介质中传播播的距离较远远等优点，因因而超声波经经常用于距离离的测量，如如测距仪和物物位测量仪等等都可以通过过超声波来实实现。利

17、用超超声波检测往往往比较迅速速、方便、计计算简单、易易于做到实时时控制，并且且在测量精度度方面能达到到工业实用的的要求，因此此在移动机器器人的研制上上也得到了广广泛的应用。高度测量模块的的主要工作过过程如下：超超声波发射器器向某一方向向发射超声波波，在发射时时刻的同时开开始计时，超超声波在空气气中传播，途途中碰到障碍碍物就立即返返回来，超声声波接收器收收到反射波就就立即停止计计时。超声波波在空气中的的传播速度为为340m/s，根据计计时器记录的的时间，就可可以计算出发发射点距障碍碍物的距离。 高度测量的原理理虽然简单，但但是要达到理理想的效果还还是有一定难难度，如要达达到一定的测测量距离、在在

18、不同反射面面情况下基本本工作正常、可可以判断由于于干扰造成的的错误测量情情况等等。这这里的技术难难点包括信号号采集的靠干干扰性、信号号解调的正确确性以及时间间差获得的正正确性。为了了使测距模块块有良好的靠靠干扰性，我我们将发射和和接收分别放放在两块板子子上，以防止止互相之间的的干扰，并采采用屏蔽线将将两块板子之之间的通讯连连接线屏蔽起起来，保证不不受外界干扰扰。信号解调调部分采用LLM567进进行40K信号的的解调工作，567为通用音调译码器，当输入信号于通带内时提供饱和晶体管对地开关，电路由I与Q检波器构成，由电压控制振荡器驱动振荡器确定译码器中心频率。用外接元件独立设定中心频率带宽和输出延

19、迟。LM567将获得的40K信号进行解调，并最终将稳定的信号输出给单片机，以保证获得准确的时间差。此次我们也采用用了MSP4430作为超超声波测距的的单片机进行行信号采集、发发生以及计算算和通讯等功功能，单片机机是整个模块块的核心部分分。我们采用用MSP4330作为400K信号的发发生源并最终终接收捕获到到的信号，并并计算发出信信号到收到信信号之间的时时间差，从而而计算出距离离。并对得到到的距离进行行分析处理，保保证将可靠的的数据传输给给上端。在距距离的数据分分析上，我们们采用了一阶阶滤波器的处处理，以保证证传输给上位位机的数据可可靠而且平滑滑有效。飞行控制器飞行控制器直升升机的中央控控制单元

20、，负负责飞机上各各个单元的协协调工作，并并与地面站之之间进行数据据传输。同时时根据控制算算法和地面站站的命令，保保持飞机以一一定的姿态飞飞行。飞控计计算机硬件原原方案采用TTI28122 DSP，该该方案的优点点在于功耗低低、DSP本本身接口较多多（包括串口口、CAN），但但开发过程中中碰到技术积积累不充分、无无操作系统支支持造成开发发速度较慢等等等的问题，所所以最终选用用了804886的PC1104标准板板。直升机模型较为为复杂，而且且通道之间存存在耦合，如如果考虑复杂杂情况则控制制率较难实现现，所以采用用简单的PIID控制器分分通道进行控控制，为了解解决非线性问问题，采取不不同状态下采采用不同参数数的控制方法法。具体将飞飞机飞行状态态划分为起飞飞、降落、悬悬停、向左、向向右等状态，在在不同状态下下设定不同的的控制目标值值。例如，悬悬停状态高度度设定为固定定值，俯仰、滚滚转以及偏航航的角度都设设置为零，利利用四个不同同的控制器分分通道控制，使使得飞机姿态态达到设定值值。以偏航方方向的控制为为例:导航计算机导航计算机限位偏航P控制Rudder偏