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光纤陀螺寻北仪浅谈组合导航提升飞行
- 2019-06-17 -

        如今,随着芯片、光纤陀螺寻北仪、大数据技术的发展,无人机开始了智能化、终端化、集群化的趋势,让无人机从远离人们视野的军事应用飞入了寻常百姓家。不可否认,飞控技术的发展是近几年无人机变化的最大推手。 

        飞行控制系统(Flight control system)简称飞控,可以看作飞行器的大脑。多轴飞行器的飞行、悬停,姿态变化等等都是由多种传感器将飞行器本身的姿态数据传回飞控,再由飞控通过运算和判断下达指令,由执行机构完成动作和飞行姿态调整。

        现在的飞控内部使用的都是由三轴陀螺仪,三轴加速度计,三轴地磁传感器和气压计组成的一个IMU,也称惯性测量单元。

        三轴陀螺仪,三轴加速度计,三轴地磁传感器中的三轴指的就是飞机左右,前后垂直方向上下这三个轴,一般都用XYZ来代表。左右方向在飞机中叫做横滚,前后方向在飞机中叫做俯仰,垂直方向就是Z轴。最早的陀螺仪是一个高速旋转的陀螺,通过三个灵活的轴将这个陀螺固定在一个框架中,无论外部框架怎么转动,中间高速旋转的陀螺始终保持一个姿态。通过三个轴上的传感器就能够计算出外部框架旋转的度数等数据。

        飞控最基本的功能控制一架飞机在空中飞行时的平衡,是由IMU测量,感知飞机当前的倾角数据通过编译器编译成电子信号,将这个信号通过信号新时时传输给飞控内部的单片机,单片机负责的是运算,根据飞机当前的数据,计算出一个补偿方向,补偿角,然后将这个补偿数据编译成电子信号,传输给舵机或电机,电机或舵机在去执行命令,完成补偿动作,然后传感器感知到飞机平稳了,将实时数据再次给单片机,单片机会停止补偿信号,这就形成了一个循环,大部分飞控基本上都是10HZ的内循环,也就是1秒刷新十次。

        由于目前传感器设计水平的限制,这些传感器测量的数据都会产生一定的误差,并可能受到环境的干扰,从而影响状态估计的精度。为了保障飞行性能,就需要充分利用各传感器数据共同融合出具有高可信度的15个状态,即组合导航技术。组合导航技术结合GPS、IMU、气压计和地磁指南针各自的优缺点,通过电子信号处理领域的技术,融合多种传感器的测量值,获得更精准的状态测量。

        为了提升航拍无人机的感知能力和飞行性能,除了以上基础传感器方案以外,现在主流的无人机产品都加入了先进的视觉传感器、超声波传感器和IMU与指南针冗余导航系统。双目立体视觉系统可根据连续图像计算出物体的三维位置,除了避障功能以外还能提供定位与测速。机身下方的超声波模块起到辅助定高的作用,而冗余的IMU和指南针在一个元件受到干扰时,冗余导航系统会自动切换至另一个传感器,极大提高了组合导航的可靠性。

        智能导航系统引入了多个传感器,数据量和复杂程度大幅提升,针对视觉和传感器对导航和飞行控制算法进行多次系统重构,增加新的软件模块与架构,全面提升了飞行的性能与可靠性。


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