1、無人直升機飛行行控制系統設設計報告摘要： 本文介介紹了用于無無人直升機控控制的飛行控控制系統結構構和分部分的的主要性能，詳詳細闡述了系系統設計方案案以及設計思思想。 一 整體系統描描述 整個系系統可以分為為機載部分和和地面部分，機機載部分負責責維持飛機的的穩定飛行并并提供圖像信信息給地面部部分，地面部部分根據飛機機的狀態以及及得到的圖像像信息作出下下一步飛行的的目標規劃并并發送給機載載部分，同時時為了確保安安全，防止自自主飛行機構構失控，添加加了可由操作作手控制的控控制器。地面面部分與機載載部分之間有有兩條數據鏈鏈路負責傳送送圖像和傳送送飛行狀態和和指令。圖像像傳送的數據據鏈路通過購購買成品解

2、決決，另外負責責傳送飛行狀狀態和指令的的部分也已經經有方案可以以解決（目前前正在開發的的部分雖然包包括擴頻通信信，但是由于于技術原因不不能確保在比比賽中的可用用性，所以這這部分只是作作為研究性的的項目）。地地面部分可以以分為地面站站和圖像處理理平臺，前者者與機載飛行行控制器通訊訊以發送控制制命令并獲得得飛機狀態信信息，后者獲獲取機載攝像像頭的圖像并并做處理以搜搜尋比賽目標標。機載部分分將在后一部部分詳述。二 飛機內部系系統描述 為了完完成自主飛行行任務，飛機機需要相關功功能部件完成成對飛機狀態態信息的采集集、對執行部部分的控制以以及對地面站站命令的響應應等功能。在在無人機上，替替代飛行員或或操

3、作手完成成飛行任務的的自主機構包包括圖像設備備、飛控模塊塊、高度測量量、舵機控制制、數據鏈路路以及航姿儀儀等，如下圖圖所示： 圖像設備 飛控模塊塊 高度測量 舵舵機控制 數據據鏈路 航姿儀 各個模塊之之間相對獨立立，均可單獨獨完成一定的的功能，模塊塊之間的相互互連接采用總總線實現，硬硬件上采用PPC104標標準，便于安安裝和系統集集成。雖然采采用的總線是是較可靠的通通訊標準，但但是在直升機機實際飛行的的環境中存在在震動、電磁磁等干擾因素素，可能影響響到數據傳輸輸的可靠性，為為了保證正確確的數據傳輸輸，采用了兩兩套互為備份份的總線系統統422總總線和CANN總線。4222總線為現現有UAV系系統

4、采用的標標準，具有技技術較成熟的的優勢；CAAN總線對于于數據包的傳傳送更為方便便，克服了4422只能采采用主從模式式以及工作在在輪詢模式的的缺點，并且且具有更高的的數據傳輸速速度，是一種種較新的標準準，使用CAAN總線也是是對系統方案案升級的嘗試試。 慣性導航系統與與GPS 為了實實現對直升機機姿態的控制制，需要有飛飛機各個方向向的速度位置置信息等，慣慣性導航系統統的算法通過過對慣性測量量單元(IMMU)提供的的加速度和角角加速度的積積分，得到機機體的位置、速速度和姿態信信息(PVAA)。從硬件件上來說，該該模塊是實現現了對各個加加速度和角加加速度傳感器器的信息采集集，但是僅僅僅通過以上簡簡

5、單的慣導算算法本身很難難得到有用的的信息，慣性性傳感器的漂漂移和定步長長積分的累計計誤差會使計計算結果很快快偏離實際值值。導航系統統必須考慮這這些誤差因素素并對得到的的PVA結果果作出修正。 慣性導航系統可可分為平臺慣慣導系統和捷捷聯慣導系統統，平臺慣導導系統是通過過一個機械平平臺把慣性敏敏感元件與機機體的角運動動隔離開、使使之跟蹤某個個給定的坐標標系，從而給給出相對于給給定坐標系的的運動信息，而而捷聯慣導系系統是將慣性性敏感元件直直接固定在飛飛行器機體上上，通過計算算機采集慣性性元件的輸出出并解算出飛飛行器相對于于給定坐標系系的運動信息息。捷聯慣導導系統相對于于平臺系統來來說，通過計計算機程

6、序實實現了平臺的的作用，簡化化了硬件復雜雜性，提高了了系統的可靠靠性和可維護護性，更容易易實現。慣性導航模塊的的設計目標是是實現一個獨獨立的數字捷捷聯慣導系統統：采集慣性性敏感元件的的輸出信號并并進行解算，給給出飛行器相相對與給定坐坐標系的運動動信息，通過過總線實時地地發送給飛行行控制計算機機。系統最初的設計計方案中包括括如下部分：角速度傳感感器，加速度度傳感器，磁磁性傳感器，實實現信號采集集和運算的DDSP。由于于時間緊迫，慣慣性導航模塊塊僅實現對陀陀螺和加速度度計的數據采采集，通過總總線實時的發發送給飛控計計算機，下一一步的運算工工作由飛控計計算機進行。慣性導航模塊的的硬件主要包包括兩個雙

7、軸軸陀螺、兩個個雙軸加速度度計（組成六六自由度的慣慣性敏感元件件）和一個面面向控制的DDSP。陀螺：Gyraatoin公公司MicrroGyroo100，測測量范圍1150度/秒秒，解析度00.15度/秒，模擬輸輸出。加速度計：ADD公司ADXXL202，測測量范圍22g，分辨率率2mg，PPWM數字輸輸出。DSP：TI公公司面向控制制的TMS3320F28812，它具具有150MM的主頻，內內部集成了齊齊全的外設，包包括：增強型型CAN模塊塊，增強型串串口通信控制制模塊，122位高速A/D轉模塊，串串行設備模塊塊，多路緩沖沖串口模塊(McBSPP)和能夠產產生和讀取PPWM波的事事件管理器。

8、視覺處理視覺是無人機的的一個重要部部分，無人機機的一個重要要應用：無人人偵察，就是是以計算機視視覺為基礎。視覺程序的目的是：從直升機上面的攝像頭拍到的圖片中檢測出固定的幾類圖標的位置。整個檢測過程分分為兩個階段段，第一個階階段從圖片中中檢測出圖標標所在矩形的的位置，并放放縮為32*32大小的的標準矩形；第二個階段段對這個標準準矩形進行判判斷，決定它它是哪類圖標標。三個標準圖標如如下： 第一階段獲取矩矩形位置的流流程是（結合合一個例子具具體介紹）：原始圖片如下：首先從攝像頭傳傳回的視頻中中得到一幀圖圖片，將其轉轉換為灰度圖圖；然后對其其進行均值濾濾波平滑處理理，消除掉圖圖片上的一些些雜質；接下下

9、來進行soobel邊緣緣檢測，將矩矩形從圖像中中分離出來，在在邊緣檢測的的同時也進行行了閾值化的的過程。邊緣檢測后結果果如下：為了讓矩形邊緣緣閉合，進行行一步開運算算操作（矩形形邊緣是黑色色）；然后進進行前景提取取，通過點連連通的方式來來把圖片分為為一塊一塊的的連通區域，每每塊區域都存存儲為一個數數據結構，認認為其中最大大的一塊區域域為背景，將將其置為黑色色，其他的部部分全部置為為白色；下一一步是邊緣提提取，這步和和前面的soobel邊緣緣檢測不同的的地方在于，ssobel邊邊緣檢測將矩矩形分割出來來，但是程序序仍舊不知道道矩形在哪里里，而邊緣提提取之后可以以得到矩形的的確切位置，做做法還是利

10、用用連通性得到到一個區域的的外邊緣點，因因為區域的點點前面已經存存儲，這一步步很好進行。獲取邊緣后結結果如下：得到區域邊緣后后還需要判斷斷這是不是矩矩形或者平行行四邊形，這這一步的做法法是：首先得得到一個區域域的中心，然然后判斷離這這個中心最遠遠的點作為矩矩形的第一個個角點，計算算離第一個角角點最遠的點點為第二個角角點（即首先先檢測一條對對角線），距距離第一、第第二個角點連連線最遠的點點為第三個角角點，距離前前三個角點構構成的三角形形區域的最遠遠點為第四個個角點；檢測測出四個角點點后，判斷矩矩形方法是判判斷兩條對角角線的交點（矩矩形中心）附附近是否有點點存在，因為為圖像已經是是完全的邊緣緣圖像

11、，一個個區域的內部部已經沒有點點存在，如果果中心附近有有點，說明此此圖形并非矩矩形，很可能能是類似三角角形或者不規規則多邊形，這這樣的區域直直接否決掉。剩剩下滿足要求求的區域放縮縮到32*332大小的標標準區域中，進進入下一步處處理。放縮的結果如下下：第二階段需要判判斷32*332大小的區區域是哪一個個圖標。方法法是：把322*32大小小的區域認為為是10244的一個向量量空間，事先先準備好3幅幅標準圖標，每每幅圖標有44個方向，所所以一共是112類圖標，根根據轉換矩陣陣計算每類圖圖標在向量空空間中的位置置；然后把第第一階段得到到的區域乘以以轉換矩陣，得得到它在向量量空間中的位位置，判斷它它和

12、那一類圖圖標最接近，就就屬于哪一類類，并計算出出匹配度。經經過實際實驗驗，我的標準準是：圖標11、2的匹配配度標準是660，圖表33的匹配度標標準是56，低低于這個值則則認為是干擾擾目標。最終結果如下：地面站部分：地面控制站程程序的作用是是觀察飛機的的各項飛行信信息，包括GGPS信息、飛飛機狀態信息息、飛行航跡跡信息等，并并可以發送命命令對其進行行控制。地面面站和飛機之之間的通訊遵遵循設定好的的測控協議。 地面站站界面如下：界面的左面顯示示的是飛行軌軌跡，目前看看不出來；藍藍色的文字是是顯示飛機發發送回來的GGPS信息和和三軸線加速速度、角速度度信息。界面右邊的各項項文字、儀表表顯示了飛機機的

13、各種狀態態信息，數。可可以用于分析析飛機的運行行情況，其中中右中的4個個操縱桿可以以給飛機設定定升降舵、方方向、風門、副副翼四個參量量。界面下方的按鈕鈕群是主要的的操作部分，可可以通過點擊擊相應按鈕進進行各種操作作；其中大部部分操作在菜菜單中也有對對應項。界面最底下的一一欄是狀態欄欄，顯示了一一些程序運行行的信息。飛機如果進入入自主飛行狀狀態，地面站站有設定好的的遍歷方法用用于決定飛機機將飛向何處處以及如何遍遍歷整個場地地。遍歷方法法基本上是利利用狀態機來來實現，具體體設定如下：飛行路線（循循環進行）：0 | 7 | 6554 | 3 | 0112設定一個狀態態變量traackStaatus表

14、示示當前飛機所所處位置trackkStatuus = 00: 飛機機處于懸停狀狀態，位于左左邊界，將橫橫向飛；trackkStatuus = 11: 飛機機處于向前飛飛狀態，航向向橫向向左；trackkStatuus = 22: 飛機機處于懸停狀狀態，位于右右邊界，將縱縱向飛；trackkStatuus = 33: 飛機機處于向前飛飛狀態，航向向縱向；trackkStatuus = 44: 飛機機處于懸停狀狀態，位于右右邊界，將橫橫向飛；trackkStatuus = 55: 飛機機處于向前飛飛狀態，航向向橫向向右；trackkStatuus = 66: 飛機機處于懸停狀狀態，位于左左邊界，將

15、縱縱向飛；trackkStatuus = 77: 飛機機處于向前飛飛狀態，航向向縱向；其中飛機如果果處于0、22、4、6狀狀態，將持續續向左邊或右右邊轉彎，直直到轉到設定定的方向，即即進入下一個個狀態；飛機機如果處于11、3、5、77狀態，將持持續向前飛，直直到飛到設定定的距離，即即進入下一個個狀態。所以以整個狀態機機通過判斷飛飛機當前的狀狀態和是否滿滿足條件來決決定是否進入入下一個狀態態。 地面站站和視覺程序序結合起來，利利用飛機當前前的高度、航航向以及飛機機所處的位置置，可以計算算出圖標的實實際經緯度信信息，這也是是比賽的最終終要求。超聲波高度測量量 雖然GPPS系統或者者慣導系統都都可以

16、提供高高度信息，但但是對于實現現直升機起飛飛降落這樣的的任務來說，這這些高度信息息的精度是無無法滿足要求求的，需要有有超聲測距、紅紅外測距或者者激光測距等等高精度的距距離測量方法法。激光測距距的精度較高高，但是購買買的成本較高高，自己開發發的難度也更更大；紅外測測距的作用距距離有限，同同樣存在著開開發難度較大大的問題；超超聲測距結合合了測量距離離較遠（可測測10m）以及開開發難度低的的優點，因此此選擇超聲高高度測量方案案。另外超聲聲波具有指向向性強，能量量消耗緩慢，在在介質中傳播播的距離較遠遠等優點，因因而超聲波經經常用于距離離的測量，如如測距儀和物物位測量儀等等都可以通過過超聲波來實實現。利

17、用超超聲波檢測往往往比較迅速速、方便、計計算簡單、易易于做到實時時控制，并且且在測量精度度方面能達到到工業實用的的要求，因此此在移動機器器人的研制上上也得到了廣廣泛的應用。高度測量模塊的的主要工作過過程如下：超超聲波發射器器向某一方向向發射超聲波波，在發射時時刻的同時開開始計時，超超聲波在空氣氣中傳播，途途中碰到障礙礙物就立即返返回來，超聲聲波接收器收收到反射波就就立即停止計計時。超聲波波在空氣中的的傳播速度為為340m/s，根據計計時器記錄的的時間，就可可以計算出發發射點距障礙礙物的距離。 高度測量的原理理雖然簡單，但但是要達到理理想的效果還還是有一定難難度，如要達達到一定的測測量距離、在在

18、不同反射面面情況下基本本工作正常、可可以判斷由于于干擾造成的的錯誤測量情情況等等。這這里的技術難難點包括信號號采集的靠干干擾性、信號號解調的正確確性以及時間間差獲得的正正確性。為了了使測距模塊塊有良好的靠靠干擾性，我我們將發射和和接收分別放放在兩塊板子子上，以防止止互相之間的的干擾，并采采用屏蔽線將將兩塊板子之之間的通訊連連接線屏蔽起起來，保證不不受外界干擾擾。信號解調調部分采用LLM567進進行40K信號的的解調工作，567為通用音調譯碼器，當輸入信號于通帶內時提供飽和晶體管對地開關，電路由I與Q檢波器構成，由電壓控制振蕩器驅動振蕩器確定譯碼器中心頻率。用外接元件獨立設定中心頻率帶寬和輸出延

19、遲。LM567將獲得的40K信號進行解調，并最終將穩定的信號輸出給單片機，以保證獲得準確的時間差。此次我們也采用用了MSP4430作為超超聲波測距的的單片機進行行信號采集、發發生以及計算算和通訊等功功能，單片機機是整個模塊塊的核心部分分。我們采用用MSP4330作為400K信號的發發生源并最終終接收捕獲到到的信號，并并計算發出信信號到收到信信號之間的時時間差，從而而計算出距離離。并對得到到的距離進行行分析處理，保保證將可靠的的數據傳輸給給上端。在距距離的數據分分析上，我們們采用了一階階濾波器的處處理，以保證證傳輸給上位位機的數據可可靠而且平滑滑有效。飛行控制器飛行控制器直升升機的中央控控制單元

20、，負負責飛機上各各個單元的協協調工作，并并與地面站之之間進行數據據傳輸。同時時根據控制算算法和地面站站的命令，保保持飛機以一一定的姿態飛飛行。飛控計計算機硬件原原方案采用TTI28122 DSP，該該方案的優點點在于功耗低低、DSP本本身接口較多多（包括串口口、CAN），但但開發過程中中碰到技術積積累不充分、無無操作系統支支持造成開發發速度較慢等等等的問題，所所以最終選用用了804886的PC1104標準板板。直升機模型較為為復雜，而且且通道之間存存在耦合，如如果考慮復雜雜情況則控制制率較難實現現，所以采用用簡單的PIID控制器分分通道進行控控制，為了解解決非線性問問題，采取不不同狀態下采采用不同參數數的控制方法法。具體將飛飛機飛行狀態態劃分為起飛飛、降落、懸懸停、向左、向向右等狀態，在在不同狀態下下設定不同的的控制目標值值。例如，懸懸停狀態高度度設定為固定定值，俯仰、滾滾轉以及偏航航的角度都設設置為零，利利用四個不同同的控制器分分通道控制，使使得飛機姿態態達到設定值值。以偏航方方向的控制為為例:導航計算機導航計算機限位偏航P控制Rudder偏