无人直升机的低成本飞行控制系统

hawking · 发表于 2005-4-14 17:42

刚刚翻译完《低成本的飞行控制系统》，是讲了一个无人直升机的控制系统，是从国外的网站上下的，供大家参考。因为有些地方不懂，有删节，请大家原谅并补充。

原文请参阅http://www.araa.asn.au/acra/acra ... ts-Corke-Buskey.pdf
也可以参考http://www.cat.csiro.au/cmst/automation/expertise/index.html

概要的介绍：
澳洲研发最廉价的小型无人驾驶直升机
　　中创网浙江分站信息：澳洲CSIRO公司的科学家研发了一套使用于垂直起落式无人飞行载具的控制系统，使得全世界首见的低价、智能型、小型无人驾驶直升机的生产成为可能。
　　CSIRO公司的Corke 博士表示，于研发此种0.5公尺高、1.5公尺长、铝制机身的无人驾驶直升机时，首要之事为制造惯性感测系统与计算机视觉系统，此两套系统控制并提供载具的飞行稳定，并且导引飞行载具。
　　CSIRO公司为其小型无人驾驶直升机量身定做的惯性感测系统，使用了低成本微机电系统技术与镁合金，重量仅为75克。
　　CSIRO所研发的无人驾驶直升机控制系统称之为内嵌式惯性量测单元，为姿态与航向参考系统，所使用的惯性感应器包括三枚Murata ENC-03J 速度陀螺仪与两枚Analog Devices dualaxis ADXL202JQC 加速仪；惯性量测单元内也包含三只Honeywell HMC1001/2 磁力计。
　　Analog Devices 的ADXL202JQC加速仪为在硅晶圆表面以面型微加工技术制造的多晶硅结构，加速度量测范围为正负2G。

翻译的正文：

摘要：
在本文中，我们描述了一个为模型直升机（60级）而设计的，低成本的飞行控制系统。我们的方法不同于别的设计的地方，是没有采用昂贵的惯性/GPS传感系统。控制系统稳定性的主要传感器，是一个低成本的惯性传感器和一对CMOS摄像头。文章描述了飞行控制系统的系统构架，惯性和视觉传感子系统，并且给出了一些控制的结果。

导言：
我们使用了一个小型直升机来作为探究惯性和视觉传感器进行控制的测试平台。这对于我们来说是一个挑战性的环境，因为要在很强的振动下，同时满足重量轻、耗电省和可靠度高的要求。
我们的控制手段不同于别的使用了高性能的惯性/GPS传感器的方法。那些设备可以提供10Hz的有关物体状态的高质量的信息，可以大大简化控制的困难。
我们设计的主传感器是低成本的惯性、磁性和立体视觉设备。前两个运行于50Hz，提供了足够的信息来控制飞机的姿态。后一个提供了对速度和位置的控制的帮助。立体视觉系统提供了飞机相对地面的高度（不象GPS给出的是绝对高度），和连续的帧之间的光线的变化（流动）中得到的速度信息。
别人已经使用了一些更特殊的传感器来控制直升机。比如Srinivasen的直升机使用了在地面站中的遥测地理数据，控制信息是通过无线电信号上传到飞机上的。
本文的其余部分是这样组织的，第2章描述了我们的直升机系统的体系结构，3、4章描述了惯性传感器和最近的闭环控制的结果。第5章描述了提供高度和速度估计的视觉系统。第6章是结论。

[ Last edited by hawking on 2005-4-15 at 09:25 ]

hawking · 发表于 2005-4-14 17:43

系统体系结构

2.1直升机
2.2传感器
这架直升机有以下的传感器：
1. 向下视的彩色CMOS立体摄像头一对
2. 前视的彩色CMOS立体摄像头
3. 全6度的惯性和磁力航向平台
4. 人工遥控系统
5. 旋翼转速计
6. 电池电压计

2.3系统设计
图2显示了系统设计的总图。全部的处理都是由直升机上的计算机进行的。同时还有一个低速的无线链路连到地上的笔记本上，这个链路只是为调整控制增益和一般的监控用的。在系统中有两个计算机系统：飞行计算机和控制计算机。
飞行计算机安装在机鼻上，是作为对直升机的接口来出现的。它是在内部开发的双HC12微处理板上运行的，处理了全部的PWM信号和A/D、D/A以及数字I/O的任务。这样就使直升机的配线连到一个中心点上，因此也使与控制计算机的接口简单了。飞行计算机和控制计算机是通过标准RS232接口来通信的。
飞行计算机的一个关键部分是一个FPGA安全卡，它包含了五通道的固态继电器。这个卡的作用是在出现紧急情况时，或者是计算机控制的不好时，遥控器操作人员可以快速地手工控制飞机。
控制计算机是放置在飞机下的一个碳纤维筒里的。碳纤维筒在提供对计算机堆栈保护的同时，也提供了很好的无线电屏蔽，这对遥控接收机来说是重要的。控制计算机对飞机的实际飞行负责，同时也是传感器数据采集、处理和存储的地方。控制计算机是基于PC104和PC104PLUS卡的。
软件系统是用了LynxOS实时操作系统。软件的核心是所谓的“存储系统”，就是一个通用的数据代理，用来在系统间交换数据。全部的传感器数据都可以保存到固态存储器上，并用于离线的分析。