飛控 傳感器:2. 飛控與傳感器

2022/04/06 20:53 · 傳感器知識資訊 ·  · 飛控 傳感器:2. 飛控與傳感器已關閉評論
摘要:

飛控傳感器:2.飛控與傳感器寫在前面的話:因為第一篇文章發的比較急,沒有寫一個卷首語,在這里簡單說幾句吧。這個專欄的性質我是這樣設想的,這里不會涉及大量的公式,也不會有大量的代碼,但是會涉及很多飛控算法實現的細節性的東西,還會包括設計飛控

飛控 傳感器:2. 飛控與傳感器

寫在前面的話:
因為第一篇文章發的比較急,沒有寫一個卷首語,在這里簡單說幾句吧。這個專欄的性質我是這樣設想的,這里不會涉及大量的公式,也不會有大量的代碼,但是會涉及很多飛控算法實現的細節性的東西,還會包括設計飛控系統的思考性的東西,以及對當紅的開源飛控算法設計的一些評價(有好有壞),當然涉及到一些公式的推導什么的我會盡量給出參考文獻。關于更新的時間,我真沒辦法做到定時定量,馬上學期末工作也很多,還有新的NSF本子要寫,還請大家且看且批評吧。
飛控要保持飛機穩定,要控制飛機按照我們的意愿飛行,根據控制論和我們日常的經驗,當然首先要知道飛機自身的狀態。就好比我們打算從西單走到西四去吃羊蝎子,蒙著眼睛的話我想十有八九是走不到目的地的,我們需要不停地感知走到哪里了,然后大腦控制身體按照正確的路線去走。那么我們人靠眼睛耳朵鼻子皮膚去感知環境,飛機同樣需要一堆傳感器去感知環境,來確定自己的狀態。
那么都需要哪些傳感器呢?這就首先要問我們要控制飛機需要知道飛機的哪些狀態。出于體積、重量、成本等一系列考慮,當然不可能把亂七八糟一堆傳感器都裝到飛機上,這就存在著一個折衷問題,大家記住這個詞,以后專欄里將不斷提到它。所以飛機上搭載的傳感器需要優先保證最需要感知的狀態。
對大多數無人機來說,人們使用它是需要讓它飛到指定的位置,比如要航拍就需要飛到想拍攝的景象附近,比如農業植保就要飛到農田上方,所以我們最最最需要知道的就是無人機的位置信息。然而飛機是個很有意思的運動體,那就是它的線運動與姿態關系非常的大。我們回憶一下固定翼飛機,要轉彎的話要么需要滾轉,要么需要先把機頭偏向一邊;多旋翼和直升機也是一樣,要往前飛就得先低頭。也就是說,對固定翼而言,除了向前我們沒辦法提供別的方向的直接控制力,對旋翼機而言,除了向上也沒有直接的控制力,要改變飛機的空間三維位置,需要通過改變飛機的姿態實現,所以我們還需要知道無人機的姿態信息。除了這個原因,飛機的穩定情況也和飛機的姿態息息相關,從這個角度講,姿態是我們要控制的重點和難點,當然也是感知的重點。
這樣我們就確定了需要感知的飛行狀態:姿態和位置,以及位置的微分:速度。下面就可以設計傳感器來感知飛機的姿態和位置了。對位置來說,在室外我們用的最多的當然是全球導航衛星系統GNSS了,能夠提供位置信息和速度信息。那么姿態呢,就需要使用慣性測量器件了,用來確定姿態的慣性器件是陀螺儀,它可以敏感角速度,在知道角度初值的情況下,通過對角速度積分就可以得到角度信息嘍。到目前為止一切看起來都很簡單對不對。
但是!對低成本的小型無人機來說,不論是GPS還是MEMS陀螺儀,測量的精度都十分的不樂觀,不樂觀到什么程度呢,GPS放在那里不動,位置和速度就會不停的變化(注1);MEMS慣性器件更是,零偏、隨機游走誤差、尺度誤差、軸間耦合誤差,不但誤差種類繁多,更是會隨著溫度的變化而變化(這塊詳細的原理可以請教 @李崇 哦),加上陀螺儀是需要積分獲得角度的,這些誤差會一直積累一直積累,不一會兒就幾百度出去了。
注1:GPS的位置誤差會圍繞一個點隨機偏移,大概十年前我用novatel的差分GPS測過,偏移范圍大概在0.5米的圓內,差分GPS尚且如此,不提普通的民用型號了。我們現在的手機之所以讓人感覺定位很準確,實際上是運用了GPS定位、基站和wifi等定位手段綜合的結果哦。不過現在GPS通常都是多模的,GLONASS的信息也可以使用,通常無人機可以得到8顆以上的衛星定位,精度還是可以的。GPS速度的話有的廉價接收機是直接對位置差分的,而大多數是通過多普勒頻移測速,特點就是靜止的時候精度較差。
那怎么辦呢,比較好的辦法就是增加一些測量姿態和位置的傳感器嘍。從我們的常識來說,如果一把尺子量不準一個東西,我們可以換把尺子量,然后綜合兩次的測量結果就會得到更好的結果了吧。所以一般我們會增加加速度計和磁強計來輔助測量姿態和位置。對固定翼或者旋翼飛行器來說還可以增加氣壓高度計、空速計、光流里程計、視覺系統、測距雷達等等傳感器。像下面的圖這樣。
除此之外,飛機上還可能會有許多其他傳感器,比如電流、電壓傳感器,大型的飛機上還會有舵偏角傳感器,有的旋翼機還會有測量旋翼轉速的霍爾傳感器等等,我們的專欄就不詳細討論這些了。
好了,確定了飛控都使用哪些傳感器,下次我們就聊聊飛行狀態估計的軟件結構吧。
飛控   傳感器:2. 飛控與傳感器  第1張

飛控 傳感器:無人機飛控系統慣性傳感器測量及GPS模塊的應用

  無人機行業如今十分火熱,無人機的大腦稱為飛控。有了飛控系統,通過地面端的遙控器、電腦或者手機就可以控制一架無人機自主起飛、自主導航、自主降落。而飛控就是飛行控制器的簡稱,無人機的飛控系統內部包括單片機和多種傳感器。
常見的消費級無人機,資料圖
  現在的無人機飛控內部使用的都是由三軸陀螺儀,三軸加速度傳感器,三軸地磁傳感器和氣壓計組成的一個IMU,也稱慣性測量單元。當然,也有一些飛控是外置IMU的,做成獨立的模塊。
  其中,三軸陀螺儀,三軸加速度傳感器,三軸地磁傳感器中的三軸指的就是飛機左右,前后,垂直方向上下這三個軸,一般都用XYZ來代表。左右方向在飛機中叫做橫滾,前后方向在飛機中叫做俯仰,垂直方向就是Z軸。
無人機上的飛控系統芯片,資料圖
  目前,MEMS電子陀螺儀由于成本低,體積小重量輕,穩定性、精度都比機械陀螺高,在無人機應用中非常廣泛,主要負責測量XYZ三個軸的傾角;三軸加速度傳感器負責測量飛機XYZ三個軸的加速度;地磁傳感器感知地磁,可以讓飛機知道自己的機頭和飛行朝向,找到任務位置;氣壓計可通過測量不同位置的氣壓,計算壓差獲得到當前的高度。這就是整個IMU慣性測量單元的一般構成了。
  通過組合上述傳感器,IMU慣性測量單元可以感知飛機姿態的變化。例如飛機當前是前傾還是左右傾斜,機頭朝向、高度等最基本的姿態數據。
  IMU測得飛機當前的傾角數據后,通過編譯器編譯成電子信號,將這個信號通過信號實時傳輸給飛控內部的單片機。單片機負責的是運算,根據飛機當前的數據,計算出一個補償方向,補償角,然后將這個補償數據編譯成電子信號,傳輸給舵機或電機,電機或舵機在去執行命令,完成補償動作。
  當傳感器再次感知到飛機平穩后,將實時數據再次給單片機,單片機會停止補償信號,這就形成了一個循環,大部分飛控基本上都是10HZ的內循環,也就是1秒刷新十次。這就是無人機飛控系統最基本的功能了。
  有了最基本的平衡、定高和指南針等功能,大部分飛控還需借助GPS模塊或北斗定位系統定位,定位信號也會通過一個編譯器再次編譯成一個電子信號傳給飛控,讓飛控知道自己所在的位置、任務的位置和距離和當前的速度和高度,然后再由飛控控制飛機飛向任務位置。
飛控   傳感器:2. 飛控與傳感器  第2張

飛控 傳感器:無人機飛行控制技術中常用的傳感器

飛行控制與管理系統是無人機的關鍵系統之一。飛行控制系統是無人機完成起飛(發射)、空中飛行、執行任務、返場著陸(回收)等整個飛行過程的核心系統,對無人機實現全權限控制與管理,因此對無人機的功能和性能起關鍵、決定性作用。如果沒有飛行控制系統,現代無人機就不可能上天飛行,完成各種任務。

無人機飛行控制系統一般包含傳感器、機載計算機和伺服作動設備三大部分。

在半自主控制方式下,飛行控制系統一方面根據傳感器獲取的飛機狀態信息和任務規劃信息自主控制無人機的飛行,另一方面,接收地面控制站的遙控指令,改變飛行狀態。

無人機飛控系統常用的傳感器包括角速率傳感器、姿態傳感器、航向傳感器、高度空速傳感器、飛機位置傳感器、迎角傳感器、過載傳感器等。傳感器的選擇應根據實際系統的控制需要,在控制律初步設計與仿真的基礎上進行。

1、角速率傳感器

角速率傳感器是飛控系統的基本傳感器之一,用于感受無人機繞機體軸的轉動角速率,以構成角速率反饋,改善系統的阻尼特性、提高穩定性。

角速率傳感器的選擇要考慮其測量范圍、精度、輸出特性、帶寬等。

角速率傳感器應安裝在無人機重心附近、一階彎振的波節處,安裝軸線與要感受的機體軸向平行,并特別注意極性的正確性。

2、姿態、航向傳感器

姿態傳感器用于感受無人機的俯仰和滾轉角度,航向傳感器用于感受無人機的航向角。姿態、航向傳感器是無人機飛行控制系統的重要組成部分,用于實現姿態航向穩定與控制功能。
姿態、航向傳感器的選擇要考慮其測量范圍、精度、輸出特性、動態特性等。

姿態、航向傳感器應安裝在飛機重心附近,振動盡可能要小,有較高的安裝精度要求。
對于磁航向傳感器要安裝在受鐵磁性物質影響最小且相對固定的地方,安裝件應采用非磁性材料制造。

3、高度、空速傳感器(或大氣數據計算機)

高度、空速傳感器(或大氣數據計算機)用于感受無人機的飛行高度和空速,是高度保持和空速保持的必備傳感器。一般和空速管、通氣管路構成大氣數據系統。

高度、空速傳感器的選擇主要考慮測量范圍和測量精度。其安裝一般要求在空速管附近,盡量縮短管路。

4、飛機位置傳感器

飛機位置傳感器用于感受飛機的位置,是飛行軌跡控制的必要前提。慣性導航設備、GPS衛星導航接收機是典型的位置傳感器。

飛機位置傳感器的選擇一般考慮與飛行時間相關的導航精度、成本和可用性等問題。

慣性導航設備有安裝位置和較高的安裝精度要求,GPS接收機的安裝主要應避免天線的遮擋問題。

飛控 傳感器:飛控傳感器

1.飛控術語

飛控:飛控指飛行器的電子控制部分,硬件包括傳感器部分慣性導航模塊和控制部分的MCU。軟件包括控制算法等。

pitch,yaw,roll:指三維空間中飛行器的旋轉狀態,對應中文分別是俯仰,航向,橫滾。

慣性導航模塊:簡稱IMU,陀螺儀傳感器和加速度傳感器提供的三軸運動數據模塊。

運動感測追蹤:英文Motion Tracking。

地理坐標系:指地球所在的坐標系,這個坐標系是固定不變的,正北,正東,正上方分別表示X,Y,Z軸。

姿態解算:英文attitude algorithm,也叫做姿態融合。姿態解算是指把陀螺儀、加速度計、羅盤等的數據融合在一起,得出飛行器的空中姿態。

深度解算:也叫做長期融合。

快速結算:也叫做快速融合。

pitch():俯仰,將物體繞X軸旋轉(localRotationX)

yaw():航向,將物體繞Y軸旋轉(localRotationY)

roll():橫滾,將物體繞Z軸旋轉(localRotationZ)

? Crazepony開源四軸飛行器

? 四軸飛控算法

2. 飛控傳感器

#define MPU6050_PATH ? ?"/dev/mpu6050"? 用于獲取器件當前的三個加速度分量和三個旋轉角速度
#define FBM320_PATH ? ? ?"/dev/fbm320"? FBM320氣壓傳感器在無人機、多軸飛行器上測量相對高度。實現定高和懸停的大批量應用
#define AWP100_PATH ? ? ?"/dev/awp100"
溫度和氣壓的測量
#define BMP280_PATH ? ? ?"/dev/bmp280"
BMP280對溫度和氣壓的測量
#define HMC5883_PATH ? ?"/dev/hmc5883"?
地磁傳感器(HMC5883)在運動系統中,需要進行精確的方向控制,雖然測量方向的方法有多種,但最便利、通用性最強的還是測量地球的磁場。利用地磁作為參考,通過傳感器測量出與地磁線之間的夾角就可以得到方位角的數據,從而實現精確的方向控制
#define QMC5883_PATH ? ?"/dev/qmc5883"? QMC5883L是一款高精度三軸AMR磁傳感器,傳承了Honeywell全球獨家授權的AMR技術,擁有16位ADC,三軸磁場分辨率都達到2毫高斯,可以提供1度的方位角分辨精度;信號輸出頻率達200Hz,滿足高速系統要求;自帶溫度補償功能保證了信號輸出的穩定性;寬幅工作電壓(2.16V To 3.6V)和低功耗特征(75uA)均對系統有更好的支持,且與Honeywell的HMC5883L是完全兼容,都采用3x3x0.9 mm3 LGA封裝形式,可以幫助客戶輕松實現產品的升級換代。
#define BK2461_UART_PATH ?"/dev/ttyS2"? BK2461 是一款工作在2.4GHz ISM 頻段無線收發器(RF),收發性能優秀,接收靈敏度達-95dBm,可應對復雜和強干擾環境。集成低功耗51MCU 和內置PA,輸出功率最大可達12dBm,多達5 路PWM,外圍簡單,易于開發
#define GPS_UART_PATH "/dev/ttyS0"
//#define US100_UART_PATH ?"/dev/ttyS2"
超聲波測距
#define KS103_PATH ? ? ?"/dev/ks103"?
超聲波測距傳感器
#define LIS3MDL_PATH? "/dev/lis3mdl"
單片3軸磁力計

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