小型无人机网络化飞行控制系统设计与实现

吴亚龙 曹正阳

摘要：科学技术的飞速发展，为无人机的应用带来广阔的前景，无人机的应用范围逐渐扩展到各行各业，除去军用的侦察机和靶机之外，无人机在电力、农业、航拍、灾难救援、新闻报道等多个领域得到了越来越广泛的应用。无人机的应用目前来说还处于探索、开发的过程之中，加深对其飞行控制与管理的科研力度，是未来发展的重要趋势，本文就针对此进行深入的探究与分析，完善无人机的理论研究体系。

关键词：无人机；飞行控制；系统设计

1国内外研究现状及发展动态

四旋翼飞行器在十九世纪初由Breguet兄弟研制出来，称作Breguet-Richet“旋翼机1号”。旋翼机的主体架构是由四根焊接的钢管组成的十字架构成的，1907年首次实现了带着驾驶员升空，很大程度上推动了四旋翼飞行器的发展。1956年的时候，纽约的Amitycille.Convertawings通过对螺旋桨转速的改造，造出了一架有两个发动机的四旋翼飞行器。当时的飞行器大多以载人的四旋翼飞行器为主，稳定性和其它的性能都比较差，几乎没有实用性和操作性。

近年来，随着先进的控制理论、空气动力学理论、微电子技术以及材料技术等专业的发展，以四旋翼无人飞行器为代表的多旋翼无人飞行器的研究热潮再次被掀起，并取得了很多研究成果。如美国宾夕法尼亚大学GRASP实验室抛弃传统的感应设置，通过运用红外传感器和摄像头来测量飞行姿势和位置设计的能够平稳飞行、识别障碍目标，实现协同编队任务的四旋翼无人机就取得了很好的操控效果。

2无人机系统功能

2.1无人机飞行控制功能

无人机飞行控制与管理系统的组成。其中“传感器子系统”中有无人机的GPS配置以及导航设备，“伺服作动子系统”主要是对飞行的机翼、升降、方向和发动机等进行运行控制，“地面操控与显示终端”是对其进行遥控感知的最主要的系统，通过测控数据链路与无人机的核心系统控制与管理计算机相连，承担无人机的所有信息数据的收集和处理工作。无人机的飞行控制的功能主要是对其运动状态进行综合控制，即对无人机的飞行高度、飞行速度、飞行角度进行综合的飞行控制。无人机属于遥感操控，与载人飞机相比其可控性较为不稳定，因此，在其飞行控制的过程中更需要注重度遥感与空间轨道预设的保障，以保障其运行的安全性与准确性。

2.2无人机飞行管理功能

无人机飞行管理功能主要有：飞行的任务规划管理、无人机的设备故障管理、遥感控制管理以及飞行性能管理。“飞行的任务规划管理”属于应用的基础管理，对飞行的线路进行综合监控，对起飞点、降落点、航线进行重点控制，这一步的应用在飞行之前必须经过严密的线路考察与设计，才能保障飞行计划的有序开展。“无人机的设备故障管理”是对应用的各零件系统进行检查，在航飞前应进行人工检查，确保无人机的安全性能后才能正常投入飞行。“飞行性能管理”是对其能耗以及运行状态进行管理，保障飞机运行的最佳状态，节省能源的消耗，提升无人机的运行环保节能性。

2.3无人机设备管理功能

无人机的设备管理功能的主要任务是运用电子信息系统进行设备的有效管理，将其飞行控制与管理功能进行综合化统一协调管控，加强无人机设备的正常运转功能，提升其运行的工作效率与安全性。自动监控系统，在飞行的过程中可以进行故障检测，能够保障其安全运行。设备管理功能是以人为主导，充分运用计算机网络技术，对无人机进行数据的收集、传输、加工、储存、更新以及维护等工作，加强人机交互的应用程度。目前来说，无人机设备管理功能最主要的是对测控数据链路进行遥感控制，加深遥控与无人机自主控制的协调程度，提升应用的智能化程度，推进无人机系统应用与AI智能系统加速创新融合。

3多旋翼无人机飞行控制系统总体架构设计

3.1飞控系统硬件平台设计

当前的飞行控制系统控制芯片多采用ARM、DSP等高速处理器，单处理器的使用会抑制控制系统的进一步拓展，在运算负荷加重的情况下回影响控制的稳定性。本文选用STM32F407+STM32F103双ARM架构的控制系统硬件平台，如图2所示。

飞控硬件平台由机载部分与地面部分组成，机载部分由主控制器STM32F407、从控制器STM32F103、传感器以及无线数传共同组成。传感器由六轴陀螺仪与三轴磁阻传感器组成，能够对多旋翼无人机的飞行姿态数据进行测量。GPS定位系统能够掌握无人机的飞行位置信息，通过超声波传感器来对高速信息进行测量。多种信息通过不同的通信接口发送到控制其，实现与地面之间的信息交互。

主控制器会结合不同的任务来执行相应的控制律，解算出的控制指令通过I2C接口传递到控制器。EEPROM、气压传感器通过I2C总线与主控制器连接，存储无人机相关飞行参数。从控制器主要对六轴陀螺仪和三轴磁阻传感器的数据进行收集，同时对遥控器信号进行读取，生成电机控制信号，输出到执行机构模块。

3.2多旋翼无人机软件系统设计

多旋翼无人机控制软件系统主要作用在于操作者通过对于源代码的编写，将软件语言落实到硬件系统中，使无人机完成相应操作。在对软件系统进行设计过程中，要划分为主机系统与从机系统，由主机系统来完成数据的采集、控制以及通信等操作，由从机系统来完成数据读写与算法。

3.2.1OS/II移植

OS/II移植的主要作用在于确保处理器与内核之间相连接，从而完成内核所下达的任务。在对OS/II内核代码的编写过程中，主要应用C语言对部分有关代码进行编写，确保处理器能够对编写语言进行识别。OS/II移植主要是以硬件作为前提条件，所以会受到一定条件的限制，所以在对编译器设计的过程中，必须确保编译器能够重复性输入。另外，处理器在运行的过程中要能够定时性中断，通过C语言来完成自身的启动与关闭操作。在软件开发过程中，处理器要满足全部限制条件，为OS/II移植奠定基础。

3.2.2姿态控制

姿态控制是多旋翼无人机飞控系统中的核心技术，通过姿态控制来调整外回路轨迹，一般情况下通过PID和IB控制来实现姿态的调整，PID控制是对期望的角速度值进行计算从而完成对航姿的控制。在系统正常状态下，这两种控制手段基本没有差别，但是一旦系统出现故障，只能通过IB控制来确保飞行姿态的稳定性，IB控制主要是对控制所需的各项参数进行掌握，根据控制器的表达状况来对输出进行控制。

3.2.3自动返航控制

通过自动返航软件系统，能够实现多旋翼无人机在GPS的辅助下降落到起飞点，一般情况下，无人机的工作环境比较复杂，工作性质存在一定的不可预知性，所以必须对返航策略进行设定，通过遥控器对返航策略进行激活，实现无人机沿设定的路线进行返航。

结语

综上所述，无人机的未来应用具有无限的潜力等待挖掘，智能化、综合化、系统化的发展趋势已经在开拓的道路之中，在进行无人机的发展应用之中，对网络通信环境的要求会逐渐升高，在复杂的通信环境之中进行无人机的控制与管理创新是未来的研究趋势，对无人机的应用有利于我国的行业创新融合发展，有助于农业、电力、军事等部分系统的转型优化，提升我国的现代化国家建设程度，为人们的生活带来更大的便利。

参考文献

[1]王雅超.无人机飞行控制与管理[J].设备管理与维修，2018（24）：31-33.

[2]李妍，陈欣，李春涛.无人机飞行控制计算机4通FlexRay总线通信与余度管理设计[J].信息与控制，2017，4（3）：318-327.