无人机竞技大赛技术解决方案

1、翌无人机竞技大赛技术解决方案无人机竞技大赛技术解决方案零度智控（北京）智能科技有限公司版权所有1.志&无人机竞技大赛技术解决方案目 录1项目背景及需求分析 32系统设计原则43系统设计方案 53.1两种系统方案 53.2 两种方案的比较 53.3系统硬件整体概述 63.4 系统小意图 63.5 YS100的主控板介 绍 73.5.1 核心板外观73.5.2核心板物理参数 73.5.3 核心器件介绍 83.6其他相关硬件 83.6.1 电源部分83.6.2通讯链路93.7地面站介绍： 104 YS100系统如何实现此次比赛的要求 114.1 理论基础114.1.1飞机总能量控制 理论 1

2、14.1.2 视觉导航简介 124.2 过程分析 154.2.1 起飞154.2.2降落过程分析 154.2.3 着舰过程分析 155无人机配置方案176系统性能和安全性 1761项目背景及需求分析在我国国民经济繁荣发展的新时期，航空事业的发展正面临 历史机遇。为普及航空科技知识，推动航空科技创新发展，营造 航空文化氛围，提高国民航空意识。2010年11月17日下午在珠海航展上，举行了 “中航工业杯一国际无人飞行器创新大奖赛” 的启动仪式。仪式结束后，由于零度智控在无人机领域所处的领先地位， 有很多客户来电咨询我们能否提供无人机大赛的技术。我们仔细 分析了此次竞技大赛的要求，首先大赛要求设计和

3、制造小型常规 固定翼无人机系统，完成白主起飞，空中白主飞行，和在模拟航 母甲板上的白主着舰演示飞行。其次可以看出精确起飞、航线飞 行和下滑拦截着舰是此次竞技大赛的得分重点。最后先进的引导 原理以及飞行控制稳定精确稳定，则决定得分的高低。结合我公 司白主创新的先进无人机飞行控制技术，通过理论论证，建模分 析、模拟仿真，以及后期实际实验试飞，开发出了符合此次竞技 大赛要求的无人机控制 YS100系统。我公司的YS100系统，在天气良好的良好下：精准白主起飞 和航线飞行的成功率在 90%,而带动力白主着舰并成功挂住绳索 的成功率在85%以上。如果客户您在此次竞技大赛中使用了我公 司的无人机控制 YS

4、100系统，那么您在比赛中取得好成绩就多了 一份保障。2系统设计原则根据比赛要求，系统要实现飞机与地面站的双向数据交换， 拟用采用两种链路模式：1. ADS模式，实现飞机定时向地面站发送报告的功能。2. RC模式，实现地面站向飞机发送询问、控制指令的功能。针对小型无人机机体体积小、重量轻、实时性要求的特点，系统设计遵循如下原则：1. 方案完全遵循比赛规则的要求，大胆创新的思想，发扬航 空文化以及展现绿色航空的理念。2. 飞控主板以及机载通讯设备力求轻便。3. 要求传输设备性能良好，飞控主板处理能力高、实时性好。4. 地面站软件设计遵循易用原则，用户界面设计友好、直观、 统一规范。5. 安全性能

5、可靠，有应急操作程序和特情处置预案。3系统设计方案3.1两种系统方案此次竞技大赛中，飞行器按要求白主降落着舰过程尤其重要， 是设计的难点同时也是比赛得分的重点。根据引导原理的不同， 我们提出了两种解决方案。方案1.使用DGPS/GPS引导系统。方案2.使用视觉导航和超声波测高辅助引导。3.2两种方案的比较方案1. DGPS/GPS引导系统，虽然精度高，使用简单，但是 信号容易受到无线电信号干扰并易丢失。而且传统设计方法亮点 不够，难以在设计上胜人一筹。方案2.视觉导航和超声波测高辅助引导是一个比较新颖的方 法，虽然它成本高，控制算法难度大，但是视觉导航获取的位置 信号不受其他信号的干扰，能够使

6、飞机在降落时，安全白主降落 在规定区域内，相应的得分机比较多。从客户的角度出发， 为在比赛中获得好的成绩，我们接下来重点论述方案2,使用视觉导航和超声波测高辅助引导。3.3系统硬件整体概述该硬件系统是 ARM9+FPGA的经典嵌入式架构， 结合IMU和 加速度计等传感器以及外围电路实现控制飞机平衡的一个独立、 完整的硬件系统。它的主要功能为实现如何控制飞机在飞行过程 中的平衡进行分析，通过系统中的陀螺仪和加速度计组成的一个 精确无漂移的惯性姿态平衡系统。同时利用GPS、气压传感器、超声波传感器和视觉导航的方法获得飞机当前精确的三维定位， 通过结合姿态控制和定位，实现飞行器的惯性导航和白动驾驶。

7、3.4系统示意图图1系统示意图.志&无人机竞技大赛技术解决方案3.5 YS100 的主控板介绍3.5.1核心板外观图2 主板外观图3.5.2核心板物理参数尺寸：107.1mm*57.0mm重量：46g存储温度：-40+65 C ；工作温度：-20+55 C ;3.5.3核心器件介绍微处理器采用基于 ARM9架构的 AT91RM9200 ,主频最高 200MHz，搭配FPGA实现多路脉宽信号的同时捕获、 无时差输出， 以及高速的陀螺信号读取；A/D器件采用AD公司的ADS1256 , 24位高精度，8路通道 差分输入，除了采集 3轴加速度和3轴角速度信息外，还可采集 电池电压以及进行电流

8、测量；超声波传感器测高精度1cm，测量范围为5m;气压计采用Intersema公司的 MS5534压力计，测量精度为 0.1mbar,即10帕斯卡，对应约 0.8米的测高精度；GPS模块采用ublox公司的LEA5代芯片，最高 4Hz输出。该系统还集成一个只高端的IMU惯性传感器 ADIS16405 ,它是一款完整的三轴陀螺仪、磁力计与加速计惯性检测系统，这 款传感器结合了混合信号处理技术，提供校准的数字惯性检测， 是高集成度的解决方案，体积为23mr 23mr 23mm,重量不超过 16g。3.6其他相关硬件3.6.1电源部分飞控板：YS100白动驾驶仪的供电电压是720V,推荐的供电电压是

9、12V，可使用3节锂电池串联供电；接收机：电源由飞控主板提供，无需外接电源；舵机：外接电源，供电电压4.8 6V ,并与白动驾驶仪的舵机输出共地。3.6.2 通讯链路1. 接收机部分系统使用频率应符合国家无线电管理委员会的频率分配规定，所以我们系统推荐使用10通的72M或者2.4G的接收机。2. 数字电台部分：该系统的通讯链路并不是YS白动驾驶仪内部的一个模块，用户应使用外置的通讯链路模块来实现白动驾驶仪和地面控制软件 间的通讯。YS100白动驾驶仪使用的通讯链路应是双向的。上行链路负责传送地面人员发出的指令，传送航点规划等等。下行链路则负 责传送飞行状态等遥测信息。YS100自动驾驶仪与通讯

10、链路之间的异步串行接口是RS-232;需要用户为通讯链路提供单独的供电电源。3. GPS部分YS100白动驾驶仪选用平板式 GPS天线，该天线接收信号的 能力较强，并且能有效克服地面 9.志&无人机竞技大赛技术解决方案反射的虚假信号。在安装时，应注意将天线的上表面向上，且水 平放置，周围不应有金属遮挡物。3.7地面站介绍:地面站软件与飞机进行双向数据通讯，主要有以下作用：设置飞控参数；标定与设置参数；飞控飞行PID实时调整；监视与控制飞行状态；图形化显示飞行数据；可视化编辑飞行航线（航点）；控制任务载荷；回放飞行数据及照片数据。图3地面站软件界面4 YS100系统如何实现此次比赛的要求

11、4.1理论基础4.1.1飞机总能虽控制理论升降舵和油门杆对飞机响应的耦合特性使得基于单输入单输出的控制器设计方法不能实现飞行速度和飞行航迹的单独控制 在飞机低动压飞行状态下飞行速度/航迹耦合更加剧烈.如飞机着陆进场阶段1度的航迹角偏差可产生 2m/s的速度偏移.5s由1m/s 的速度偏差可产生 6m的高度偏移.飞行速度/航迹去耦合控制律设计是改善飞机纵向机动性能，提高飞机着陆精度的有效途径.目 前一般的做法是在高度保持模态下进行速度控制或在速度保持模态下进行高度切换，但由于缺少舵面和油门杆间合适的协同控制，解耦控制效果并不理想.将偏差控制引入到基于飞机总能量控制的飞行航迹/速度解耦控制中，从而

12、实现对飞行速度/飞行高度的无稳差控制 ，又能保 证不损失以能量控制为核心建立起来的控制量动态信息基于飞机总能量控制的飞机速度/航迹解耦控制理论的简单介绍，飞机的能量方程可如下表示ET=GV2/2g+Gh(1)式中，ET为飞机总能量，它由飞机的动能和势能两部分组成。G为飞机重量，g为重力加速度，V为空速，h为飞行高度.卜面给出基于飞机总能量控制解耦控制的核心算法结构图图4 算法结构图Rc、Vc为系统期望的航迹角和飞行速度。YS100飞控系统中纵向控制模态设计中包括：航迹角跟踪， 高度跟踪，下滑角跟踪，垂直导航，空速跟踪，时间导航。通过建模仿真后得出的结论是，在基于飞机总能量控制的核心算法的基础上

13、，引入偏差控制以消除系统对飞行速度和飞行高 度的稳态误差，从而显著提高系统的解耦性能。使所设计解耦控 制律对飞机参数不确定性和干扰不确定性具有一定的鲁棒性。4.1.2 视觉导航简介无人机白动着陆导航的关键参数是飞机在地面上某一固定坐 标系中的坐标(x , y, z )。视觉导航系统基于投影几何学，利 用图像跟踪技术及三角解算获取空间位置。其基本思路是通过机载图像传感器获取跑道图像，提取跑道特征量后与已知参考位置 的特征量进行比较，来确定无人机的空间相对位置。考虑到机载 图像采集装置的可维护性及图像稳定性等因素，故把图像传感器12.志&无人机竞技大赛技术解决方案安装在地面跟踪系统上，从而

14、实现地面导航，如图5所示:图5视觉导航原理框图处理，心 转台垣KT以 导航也集机及图像处理 计算机II. ?困像信号制信号冒二轴转台 转台志转台的角度龙困甫图像信号|角度技制信号3二轴转台 转台的角度 （俯仰，方&）图6双视觉导航系统导航方法可以采用单视觉或者双视觉导航，这里只对双视觉 导航进行简单介绍。 为采用2个图像采集分系统的双摄像机视觉 导航系统，如6图所示，2个图像跟踪系统分别放置在跑道两侧，利用图像跟踪技术在图像中锁定无人机，图像采集装置（摄像机）安装在二轴转台上，以精确记录偏转角度。其方位角记为al、以，转台偏转俯仰角记为（31、（2。通过角度及转台间的距离，可确定无人机

15、的相对空间位置。双摄像机视觉导航需 2个图像跟踪系统同时工作，依三角测距原理测定距离。取系统中的某台摄 像机镜头中心(如左摄像机)为原点建立地面坐标系，在 x轴上 安装图像跟踪系统，设2摄像机镜头中心距离为S。该系统将各 白测得的转台俯仰角和方位角通过串口或网络传入导航计算 机。如图7 , A为飞机所在位置，Ol O2 =S , a1、o2,伊、R可从2个图像跟踪系统中的转台中直接获取，令 HG=h,由： h*tan a1+ h*tan o2 =S 和 h =S/( tan a1+ t an 得飞机在地面坐 标系中的坐标(x ,y,z ):x= h*tan d=s *tan a1/( tan

16、a1+tan o2)y= h*tan 伊/cos oc1=s* tan (31/(cos d*( tan d+tan o2)z=-h=-s/( tan (%1+tan o(2)A图7双摄像定位原理图4.2过程分析4.2.1 起飞YS100系统在安装调试完成后，起飞过程非常简单。通电并确认GPS定位后，上传规划好的航线后，将遥控器第5通道开关拨到白动驾驶模式，飞行器即白动起飞。在白主起飞后，通过飞 控内部程序来控制，飞行器会按直线飞行慢慢爬高，从而通过顺 利通过限宽门，进入航线飞行。4.2.2降落过程分析无人机在完成全场飞行后，白主降落目标区域。地面会需要 在着舰区两侧放各一个摄像机，通过对地面

17、视频采集系统中摄象 机朝天观测的视频图像进行分析处理，图像处理算法采用白动目 标识别（ATR ）和三角解算的方法，在固定的背景里提取出飞机 所在空间里的实时三维坐标，即通过视频测量飞机的位置，来控 制修正飞机的轨迹，引导飞机降落的高度偏差和位置偏差这样通 过不断的坐标计算，足够保证飞机在白主降落后顺利通过限宽门。4.2.3 着舰过程分析飞行器降落最后一步是带动力滑跑式着舰，通过飞行器的地钩勾 着着舰区域的绳索顺利完成降落。首先比赛规定舰上拦阻索为长度8米、直径5毫米的尼龙索，中心高出有效着舰区平面 30毫米。这时采用超声波传感器测高度来辅助着舰。 因为当飞机进入甲板 上空时时由于甲板高出地面

18、0.8米（见比赛规则），超声波会测量高 度变化很大，CPU检测到该信号后，开始计时（超声波测高每秒可刷 新40次），飞机此时的速度是 GPS速度，比较准确，于是可以计 时间推算出飞机过了甲板以后的位置。 这样，推算出过了第1根索的 时间（第1根索离甲板边缘的距离是固定的，比赛规则中大概是16米多），然后触地放钩，而两根索的距离是 4米，GPS的速度误差 和时间计算使飞控获得的过第 2根索的时间距离误差不会超过 4米。 由此可见，YS100系统完全实现了飞行器飞行器带动力滑跑式拦阻 着陆。示意图如下：有效若舰区图8着舰示意图5无人机配置方案部件名称数量单价（万）总价（万）备注电动无人飞行平台1套YS100100飞控计算机1套1010电动版数据测控电台1套11 二机载端高活CCCg像头1套0.50.5标配图像传输端1套22标配地面控 制站便阪地面控制站1套55标配，含地面站软件数据测控电台1套11地面端测控天线组1套0.50.5全向、定 向天线图像接收