探究傳感器在無人機飛行控制系統中的應用

溫忠亮

（哈工大機器人（岳陽）軍民融合研究院，湖南 岳陽414000）

智能化機器人代替人工完成耗費人力的工作正成為各行業發展所關注的焦點，電路巡檢、森林防火等領域的無人機應用便屬于其中代表。為保證無人機更好服務于我國各行業發展，正是本文圍繞傳感器在無人機飛行控制系統中應用開展具體研究的原因所在。

1 無人機飛行控制系統中傳感器的基本應用

1.1 應用思路

傳感器廣泛應用于多個領域，主要由轉換元件及敏感元件組成，傳感器可按照一定規律轉換獲得的信息為可用信號，并以此為相關領域提供數據信息支持。在無人機飛行控制系統中，傳感器的應用可較好服務于系統的完善和改進，而結合無人機飛行控制系統的實際需要，可通過多種傳感器的合理應用，整合分析多種傳感器收集的任務信息，以此構建傳感器網絡，最大化的傳感器作用發揮可由此實現。在傳感器支持下，無人機飛行控制系統可充分發揮傳感器參數可調性優勢，不同種類無人機飛行控制系統的需要也能夠得到滿足，相關任務的順利完成自然能夠獲得有力支持。在無人機飛行控制系統的傳感器具體應用中，必須充分了解傳感器的優勢，并結合系統的功能要求和實際運行需求，這樣才能夠更高水平的應用傳感器[1]。

1.2 基本應用

1.2.1 合理設計傳感器參數。無人機飛行控制系統中的傳感器應用極為廣泛，系統的運行效率提升可得到傳感器的大力支持，而為了較好滿足系統實際運行需要，最大化傳感器作用發揮，傳感器參數的合理設計必須得到重視。在傳感器參數設計過程中，可將其參數細分為靜態參數和動態參數，如動態參數設計需以階躍響應、頻率響應為依據，傳感器的分辨率參數也需要得到合理控制，傳感器運行的穩定性可由此得到保障。而在靜態參數的設計中，重復性、線性度、靈敏度等參數的設計不容忽視，具體設計需結合無人機飛行控制要求[2]。

1.2.2 機載傳感器網絡優化。在無人機飛行控制系統中，傳感器的應用還需要關注應用環節的嚴格控制，以此通過持續性的改進和優化，提高系統運行的可靠性和安全性。作為無人機飛行控制系統的重要組成部分，傳感器網絡搭載有各類傳感器，因此可以將其視作不同類型傳感器的總稱。在無人機獲取相關數據和信息時，一般需要返回基底查看相關資料和信息，這一過程中的信息及數據安全性必須得到重視。基于各類傳感器構建傳感器網絡，實時的信息數據傳輸、獲取即可順利實現，信息數據信息也能夠更為快速的向監測中心傳輸，數據信息傳輸效率及安全性均可大幅提升。因此，本文認為無人機飛行控制系統中的機載傳感器網絡屬于核心層，為最大化傳感器網絡作用發揮，持續性的優化和改進必須得到重視，如優化系統整體布局、調整線路方式，系統整體運行效率可由此實現長足提升。

1.2.3 應用精確導航控制技術。作為傳感器衍生的技術，精確導航控制技術同樣可較好服務于無人機飛行控制系統升級和改造，通過融合多個傳感器的信息，精確導航控制技術可實現精準導航。現階段無人機在我國多個領域有著較為深入的影響，無人機所需要完成的工作量也在不斷提升，為保證無人機能夠實現相關任務的快速準確完成，必須設法改進和完善其精準導航系統，配合不同特性的平臺和傳感器，即可為無人機執行任務提供輔助，這一過程中多個傳感器信息的融合發揮著極為關鍵的作用。在基于精確導航控制技術的無人機飛行控制系統優化中，傳感器作用的充分發揮屬于其中關鍵，系統需同時具備有效融合導航信息的能力，并以此實現精準位置、速度等導航信息的提供，配合較強的信息接收和處理能力，無人機即可更好在飛行過程中完成各類信息的收集和處理，傳感器的作用也能夠更好發揮[3]。

2 實例分析

2.1 系統總體設計

為提升研究的實踐價值，以一種基于STM32F103 單片機平臺與多傳感器的無人機自動控制系統作為研究對象，無人機工作的流暢性可通過較高的運算速度得到保障，系統不僅能夠保證無人機安全飛行，且在初次起飛指令后會，無人機會預留一段安全時間，意外事件的發生幾率可得到有效控制。無人機飛行控制系統采用Pixhawk，系統控制板為STM32F103，由此即可實現遙控器信號的模擬，在控制成本的前提下實現飛控指令的下達，脫離遙控器獨立工作的無人機可由此實現，傳感器布置于采集板，以此構建傳感器組，結合飛控傳感器，即可將向控制板共同反饋采集到的數據，控制板由此即可向飛控板發出指令，這一過程需模擬遙控器，全稱的無人機自動控制可由此實現。整個系統由采集層、控制層、無人機控制層三個層級組成。

2.2 硬件設計

系統采用的飛控板屬于具備高性能且較為普及的自動駕駛儀，即Pixhawk，可較好服務于固定翼無人機、多旋翼無人機等平臺，APM 為其前身，不同于APM 無法滿足復雜的運算需求，Pixhawk 在繼承多線程編程環境的同時，還能夠通過PX4 底層驅動，為全周期處理提供保障，新的預設飛行模式及自動駕駛儀功能均可由此實現，系統可由此較好滿足無人機高自由度飛行需要；系統對無人機運行狀態的檢測通過控制板實現，傳感器的反饋可由此接收，遙控器的模擬及相關指令的發出也能夠由此實現，無人機運用的控制可基于飛控板實現，基于STM32 實現遙控器起飛、著陸、懸停等各種指令信號的模擬屬于其中關鍵，無人機字啊無指令控制時會安全著落，機體安全保障需要可由此得到滿足。在完成構筑控制板基礎功能后，更多傳感器的添加可順利實現，系統可支持多樣化的無人機功能，更加復雜的任務執行也能夠由此獲得支持。由于系統用單片機預留的接口較多，因此其拓展性天然較高，可實現更為豐富的模塊搭載；在多傳感器模塊的設計中，該模塊主要負責服務于無人機在合適高度的作業實現，屬于無人機自主工作的基礎，模塊流程可概括為：“開始→超聲波發生聲波→定時器計時→接收到聲波→定時器停止計時并計算距離→0.5～1.5m？→是→發出光信號→結束”。采用bmp085 氣壓傳感器作為定高模塊硬件，由此實時海拔高度的轉換可基于測量獲得的大氣壓實現，無人機距離地面的高度可通過計算確定，無人機實時高度的測量采用HC-SR04 超聲波傳感器，兩種傳感器可通過配合較好服務于更加精準的無人機控制。

2.3 軟件設計

為保證傳感器更好服務于無人機飛行控制器，本文研究的無人機自動控制系統在軟件設計中同樣投入了大量精力。在控制板操作模塊設計中，控制板基于模擬遙控器信號的方式實現控制，無人機的工作流程開始需通過操控者的按鍵控制，收到信號后的無人機會進入啟動流程，無人機自檢并解鎖啟動會在3s 安全時間后開始，由此操作人員的撤離可得到保障；而在無人機基本姿態控制的設計中，設計需圍繞自動啟動、自動降落展開，自動啟動可實現無人機的遠程解鎖與控制，自動降落可實現無人機的自動著陸并鎖定，這一系列功能的實現均離不開傳感器的支持。

2.4 實驗分析

為證明無人機飛行控制系統實用性，需開展針對性實驗，考慮到該系統主要用于室內小型無人機，因此實驗于4m×4m×2m的室內實驗場地開展，以此判斷系統的穩定性和易用性。結合實驗結果可以確定，無人機在完成既定任務過程中，系統可實現對其的全程穩定控制，具備成本低、易用性強等優勢，相較于人工操作，無人機飛行控制系統的穩定性更高，且能夠有效實現人力成本的節約，但該系統進能夠用于室內應用，無法滿足室外環境控制需要，這一不足的改進必須得到重視。

綜上所述，傳感器在無人機飛行控制系統中的應用需關注多方面因素影響。在此基礎上，本文涉及的機載傳感器網絡優化、應用精確導航控制技術、硬件設計等內容，則提供了可行性較高的傳感器應用路徑。為更好服務于無人機飛行控制，MEMS 傳感器的合理應用必須得到重點關注。