基于紅外傳感原理的無人機(jī)姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

李曉雨， 馬春林， 支 煒， 褚金奎

(大連理工大學(xué) 精密特種加工教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 大連 116023)

0 引 言

無人機(jī)穩(wěn)定控制和導(dǎo)航的最基本、最核心的參數(shù)之一是姿態(tài)角。傳統(tǒng)姿態(tài)測(cè)量方法主要是慣性測(cè)量系統(tǒng)，但由于其硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)復(fù)雜，成本較高，陀螺儀在長(zhǎng)時(shí)間工作時(shí)還存在累積誤差，因此，想低成本地完成無人機(jī)自主控制仍舊比較困難[1]。考慮到紅外溫度傳感器能感知天空地面間的熱輻射的特點(diǎn)，本文提出一種新型的測(cè)量姿態(tài)信息的方法，相比傳統(tǒng)姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)，其具有體積小、重量輕、成本低等特點(diǎn)。采用新型的ARM Cortex—M3內(nèi)核微處理器STM32F103ZET6作為處理單元，使用兩對(duì)紅外溫度傳感器對(duì)飛機(jī)的俯仰和橫滾信息進(jìn)行姿態(tài)捕獲，實(shí)驗(yàn)表明：該方法能有效滿足一般無人機(jī)姿態(tài)測(cè)量的需求。

1 硬件設(shè)計(jì)

飛機(jī)的穩(wěn)定性是飛機(jī)設(shè)計(jì)中最為重要的參數(shù)，它直接表征飛機(jī)在受到擾動(dòng)后恢復(fù)到原始狀態(tài)的能力。其中，飛機(jī)的穩(wěn)定性包括縱向、橫向和航向穩(wěn)定性，分別反映俯仰、滾轉(zhuǎn)及方向的穩(wěn)定特性。本文所設(shè)計(jì)的基于紅外傳感原理的無人機(jī)姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)是無人機(jī)飛行控制系統(tǒng)的重要組成部分之一，主要針對(duì)飛機(jī)飛行中在縱向和橫向穩(wěn)定性的控制。無人機(jī)飛行控制系統(tǒng)硬件平臺(tái)如圖1，主要由紅外傳感器、氣壓傳感器、處理器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、遙控接收機(jī)、電臺(tái)等部分組成。其中處理器作為數(shù)據(jù)處理和飛行控制的核心，主要完成采集各只傳感器的數(shù)據(jù)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合處理并解算出飛機(jī)的姿態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)飛機(jī)穩(wěn)定飛行的控制。綜合數(shù)字信號(hào)處理能力和體積大小，選擇性價(jià)比較高的STM32F103ZET6型微處理器作為主控模塊，可使用其內(nèi)部A/D轉(zhuǎn)換口接收信息，經(jīng)計(jì)算產(chǎn)生多路PWM信號(hào)驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，用以調(diào)整飛行姿態(tài)[2]。傳感器單元包括兩對(duì)紅外傳感器和氣壓傳感器構(gòu)成，主要完成對(duì)飛行中的姿態(tài)和高度信息的采集。地面控制用以穩(wěn)定飛行中的模式切換和危險(xiǎn)保護(hù)。

圖1 飛控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2 紅外傳感器設(shè)計(jì)

2.1 MLX90247型紅外線溫度傳感器

MLX90247型紅外線溫度傳感器是由集成電路組成并且能夠檢測(cè)很小的熱量輻射，包括熱吸收區(qū)(熱端)、硅基片(冷端)及外封裝組成。基本工作原理類似于普通的熱電偶原理，也即吸收紅外線能量后輸出一個(gè)與溫度呈相應(yīng)比例的電壓信號(hào)。有效感知-20～85 ℃的溫度變化范圍，視角范圍約100 ℃，使其可探測(cè)視角范圍內(nèi)所有物體的溫度值，距離為無窮遠(yuǎn)。在探頭附件放置濾光片后可有效反射太陽光等其他波長(zhǎng)的光線，大大提高了飛行中的抗干擾能力。

2.2 紅外傳感器設(shè)計(jì)

紅外溫度傳感器測(cè)量姿態(tài)的主要原理是根據(jù)地面與天空的溫度差來估計(jì)無人機(jī)的傾斜程度，亦即無人機(jī)的姿態(tài)信息。由于天空的溫度比地面的溫度低，在沒有干擾的情況下，2只紅外溫度傳感器反方向放置在同一水平面，其兩端感知到的視角內(nèi)的溫度值相同[3]。圖2所示當(dāng)傾斜使得左端偏向地面，右端偏向天空，這樣將測(cè)得左邊傳感器溫度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于右邊，即可計(jì)算出傾斜角度的大小[4]。

圖2 紅外平衡工作示意圖

結(jié)合紅外傳感器良好的視場(chǎng)角范圍并基于上述原理，設(shè)計(jì)由兩對(duì)紅外溫度傳感器組成的紅外線平衡系統(tǒng)，水平安置于機(jī)身且與機(jī)翼中心軸線成45°，綜合測(cè)量無人機(jī)俯仰與橫滾信息[5]。當(dāng)飛機(jī)水平飛行時(shí)，兩對(duì)相反放置的傳感器感知到相同溫度，輸出電壓值也相同，處理器判斷此時(shí)的電壓差為基值電壓，飛行狀態(tài)為穩(wěn)定。而當(dāng)飛機(jī)不穩(wěn)定飛行時(shí)，兩端感知溫度不同，輸出的電壓差也不處于基值電壓，此時(shí)電壓差值由處理器A/D轉(zhuǎn)換后進(jìn)行判斷飛行姿態(tài)，進(jìn)而通過向舵機(jī)輸出PWM信號(hào)做出相應(yīng)的調(diào)整。

圖3是基于上述原理設(shè)計(jì)的紅外傳感器板，電路使用5 V供電并由2.5 V作為基準(zhǔn)電壓，這樣傳感器水平放置輸出理論為2.5 V，正傾和負(fù)傾分別向0 V和5 V電壓靠近。設(shè)計(jì)的紅外傳感器板通過實(shí)驗(yàn)尋找出溫度與傾角間的關(guān)系，確定相應(yīng)的函數(shù)模型。實(shí)驗(yàn)儀器主要有水平轉(zhuǎn)臺(tái)、紅外傳感器板、萬用表等。選擇戶外開闊的場(chǎng)地，避免其他干擾熱源的影響，分別在不同溫度，不同時(shí)間段進(jìn)行測(cè)量。將水平傳感器固定于轉(zhuǎn)臺(tái)上，測(cè)量從-90°～90°范圍間，每旋轉(zhuǎn)10°記錄一次數(shù)據(jù)，由于飛機(jī)大部分處于穩(wěn)定飛行狀態(tài)，故在-50°～50°范圍間，每旋轉(zhuǎn)5°記錄一次數(shù)據(jù)。由多組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，繪出散點(diǎn)圖并進(jìn)行曲線擬合 ，曲線如圖4所示。圖中A是天陰，溫度為4 ℃;B是天晴，溫度為6 ℃;C是天陰，溫度為9 ℃;D是天晴，溫度為10 ℃。由大量數(shù)據(jù)繪成的曲線圖可看出，單對(duì)紅外傳感器其傾角與電壓存在函數(shù)關(guān)系式

U=Asin(Kφ)+B.

(1)

圖3 紅外傳感器板實(shí)物圖

圖4 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合曲線圖

由曲線圖可看出:該函數(shù)關(guān)系式中B與水平電壓有關(guān)，理論值為2.5 V，A與垂直電壓有關(guān)，理論值為(Vmax-2.5)V，而K可通過大量輸出電壓進(jìn)行解算。

對(duì)表1中的多次實(shí)驗(yàn)所解算的K值取平均值得K=-1.407,為此得到了由紅外傳感器的輸出電壓解算對(duì)地傾角的經(jīng)驗(yàn)公式

U=(Vmax-2.5)sin(-1.407φ)+2.5.

(2)

實(shí)際飛行中，可由當(dāng)?shù)丨h(huán)境測(cè)量出垂直電壓后確定上述公式，進(jìn)行飛行實(shí)驗(yàn)。

表1 紅外傳感器測(cè)量數(shù)據(jù)

2.3 姿態(tài)角解算

紅外傳感器測(cè)量的傾角φ是對(duì)地的傾角，無人機(jī)的姿態(tài)角是在機(jī)體坐標(biāo)系下定義，而且上述以說明紅外傳感器板與飛機(jī)的機(jī)頭機(jī)尾軸線成45°安置，這樣必須進(jìn)行相應(yīng)的姿態(tài)角解算以確定無人機(jī)正確的姿態(tài)信息。

圖5所示為紅外傳感器板安裝示意圖,由紅外傳感器A與B測(cè)量的電壓為UA,UB,由公式(2)可解算出該對(duì)傳感器對(duì)地傾角φA,φB，引入方向余弦矩陣(DCM)進(jìn)行地面坐標(biāo)系到機(jī)體坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換可導(dǎo)出俯仰角θ和滾轉(zhuǎn)角φ，亦即[6]

(3)

由式(2)、式(3)可確定無人機(jī)的姿態(tài)角，通過機(jī)載實(shí)驗(yàn)，將測(cè)得的姿態(tài)信息與傳統(tǒng)慣性測(cè)量單元(IMU)進(jìn)行數(shù)據(jù)比對(duì)，以此驗(yàn)證紅外傳感器的可行性與精確性。

圖5 紅外傳感器在無人機(jī)上的安裝

3 機(jī)載實(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)證上述算法與相關(guān)理論，將紅外傳感器與傳統(tǒng)IMU一同安裝在小型固定翼無人機(jī)上進(jìn)行機(jī)載飛行實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地選擇空曠的操場(chǎng)以避免地面其他熱源干擾，氣候適宜，正午晴天15℃時(shí)。實(shí)驗(yàn)測(cè)量輸出曲線如圖6(a)和圖6(b)所示，其中,1#實(shí)線是紅外傳感器測(cè)量數(shù)據(jù)，2#實(shí)線是IMU所測(cè)量數(shù)據(jù)。

圖6 滾轉(zhuǎn)和俯仰方向姿態(tài)信息輸出曲線圖

圖6(a)和(b)分別是同時(shí)段的滾轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)曲線和俯仰運(yùn)動(dòng)曲線，由圖所測(cè)數(shù)據(jù)可知，前30s期間飛機(jī)基本穩(wěn)定飛行，此時(shí)IMU與紅外傳感器測(cè)量數(shù)據(jù)誤差保持在10°以內(nèi)；30s后飛機(jī)轉(zhuǎn)彎，此時(shí)姿態(tài)發(fā)生大角度的變換，紅外傳感器所測(cè)量數(shù)據(jù)也能控制在理想范圍內(nèi)；之后又繼續(xù)穩(wěn)定飛行。整個(gè)直飛、轉(zhuǎn)彎、在直飛的過程可以看出紅外傳感器均能有效感知姿態(tài)信息的變化，并且與傳統(tǒng)的IMU相比測(cè)量誤差均能滿足試飛要求。

實(shí)驗(yàn)截取的是當(dāng)中一段數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，在起飛和降落時(shí)，飛機(jī)發(fā)生大幅度的姿態(tài)變化，此時(shí)數(shù)據(jù)會(huì)有較大的震蕩,其余過程均在允許范圍內(nèi)。由于太陽輻射功率比地球輻射功率大數(shù)百倍，很可能會(huì)進(jìn)入紅外視場(chǎng)，干擾紅外傳感器工作的光譜波段，這嚴(yán)重影響了紅外傳感器的正常工作。在紅外傳感器的4只紅外探頭前端分別貼上紅外濾光片，該濾光片可有效減弱可見光干擾，使得傳感器測(cè)量的姿態(tài)信息能夠更加接近真實(shí)值，使更有效地適應(yīng)多種環(huán)境，實(shí)驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)顯示說明該設(shè)計(jì)方案可行。

4 結(jié) 論

本文分析紅外傳感原理并自行設(shè)計(jì)紅外傳感器應(yīng)用于無人機(jī)姿態(tài)測(cè)量方向，通過場(chǎng)地實(shí)驗(yàn)尋找傾角與電壓關(guān)系，建立函數(shù)模型，進(jìn)一步坐標(biāo)變換找出測(cè)量信息與姿態(tài)角的關(guān)系。在紅外探頭前端放置濾光片有效抑制太陽干擾情況下，進(jìn)行機(jī)載飛行實(shí)驗(yàn)，通過與傳統(tǒng)IMU測(cè)量的姿態(tài)信息做比對(duì)驗(yàn)證設(shè)計(jì)的可行性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：該紅外傳感器能有效反映無人機(jī)飛行過程中的姿態(tài)信息，準(zhǔn)確度和靈敏度均較高，對(duì)低成本無人機(jī)飛控系統(tǒng)提出了一種新的方案。

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