传感器在无人机飞行控制系统中的应用

作者/陈玉，长江工程职业技术学院

传感器在无人机飞行控制系统中的应用

作者/陈玉，长江工程职业技术学院

随着时代的不断发展，对于无人机的研究也越来越深入，其中传感器作为无人机的有效荷载一直是人们的研究重点。不同类型的无人机根据其搭载的不同传感器具有不同的功能，从而完成不同的工作。本文主要通过分析传感器及其基本原理和传感器在无人机飞行控制系统中的应用来进行研究。

无人机；多传感器信息融合；传感器网络；控制系统

引言

随着时代的不断发展，科学技术的不断进步，人们对于无人机技术的研究也越来越重视，因此无人机技术的发展越来越成熟。无人机指的是基于地面站控制系统或者可以实现预定个轨迹自主飞行来完成各种飞行任务的无人驾驶飞行器[1]。无人机导航系统的主要任务是确定无人机实时位置和速度等相关参数或信息，随着无人机系统技术的不断发展和无人机系统应用的不断深入，对导航系统精度的要求将会越来越高。因此无人机系统对精度的要求非常高，高动态性和高可靠性的自主导航，为了进一步提高无人机系统各方面的性能，多传感器的运用就非常有必要了[2]。将多传感器运用到无人机系统中，是近期出现的，且其具有非常良好的发展前景。不同的传感器具有不同的特定，无人机系统通过结合多种类型的传感器来提高其自身的性能，如自主导航系统在时间上和空间上的覆盖范围提高，导航传感器信息的使用效率提高并增加了信息的可信度[3]。

1.传感器及其基本原理

传感器的定义是能感受规定的被测量件并按照一定的规律转换成可用信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成。对于无人机系统而言，无人机自主导航是指无人机在不依赖地面人员测控的条件下，能够自主确定位置和速度的能力。对于任何一个单一的无人机导航系统而言基本很难达到所期望的目的地，因此为了保证其能正常完成任务，多传感器信息融合是非常有必要的。多传感器信息融合技术是无人机导航系统中关键核心技术之一。对于多传感器而言，不同类型的传感器所具有的特性是不一样的，因此不同的传感器所提供的信息具有不一样的特征：时变或时不变，实时或非实时，快变的或缓变的等等[4]。因此多传感器的信息融合是一个非常复杂的过程。多传感器信息融合系统可以有效利用各个传感器的性能来最大程度获取被探测目标和环境的信息量。总的来说，多传感器的信息融合主要有四种模型结构，分别是集中式融合结构、分布式融合结构、混合式融合结构和多级式融合结构[5]。集中式融合结构主要是将传感器所获取的信息集中到融合中心在进行数据对准、点迹相关、数据关联等等。这种方式具有信息损失小的特点，但对技术要求比较高。分布式融合结构主要是指系统中的每个传感器都具有其自己的处理器，通过处理器将信息进行初步的处理在送至融合中心。这种方式是运用比较多的，因为其具有独立跟踪能力、全局监视和评估等特性。混合式融合结构则是在前两者的基础之上进行的，它具有前两种方式的优点，但是其成本非常高。对于多级式融合结构而言，各局部节点可以同时或分别是集中式、分布式或混合式的融合中心，如图1所示。

图1 多级式融合结构模型

2.传感器在无人机飞行控制系统中的应用

■2.1 机载传感器网络

机载传感器网络是指无人机平台所搭载的各种传感器的一个集成统称。传感器网络构成无人机平台应用的终端，直接获取所需的物资或数据。当无人机获取了相关的信息或数据时，可以通过无线传输系统将信息或数据实时地传回地面相应的监测中心，有时为了保证所获取信息或数据的安全性，可以先将其保存在无人机的存贮装置中，当其结束飞行任务时再将信息或数据进行详细的处理[6]。机载传感器网络是整个无人机系统数据采集的核心部分，因此具有重要的意义和作用。为了提高机载传感器的效率和可靠性，可以通过优化布局和协调路线的方式来实现。

■2.2 传感器参数

传感器参数主要有两种，分别是静态特性参数和动态特性参数。对于静态特性参数而言，它主要是指输入量和输出量和时间无关的参数，主要包括了线性度、灵敏度、重复性等参数[7]。对于动态特性参数而言，它主要是指阶跃响应和频率响应。与此同时还有传感器的分辨率，它与传感器的稳定性存在一种负相相关性，主要指的是传感器可感受到的被测量的最小变化的能力。对于整个无人机系统而言，传感器具有非常重要的最用，它直接影响无人机的运行安全以及是否能按时完成任务。对于传感器而言，传感器参数是非常重要的，为了确保无人机的安全运行和任务完成进行传感器参数的校准具有重要意义。

■2.3 精确导航控制技术

图2所示的是基于多传感器信息融合的无人机自主精确导航系统流程图。对于无人机而言，它所执行的任务种类和数量都是比较多的，为了保证其能顺利完成任务就需要根据任务的特点和各种荷载来确定整个无人机自主精确导航系统的结构。同时还需要结合不同特性的传感器和平台来辅助无人机来执行任务，从而进行多传感器信息融合。对于整个无人机自主精确导航系统而言，它是根据无人机所执行任务的特性来确定所结合的多种传感器的类型，进而来确定多种传感器信息融合方式和实行方案。

无人机自主导航系统它必须要具备以下能力：

第一，该系统必须具有可以接收信息的能力同时还必须具备处理这些信息的能力。

第二，对导航信息进行信息融合，提供精确的位置、速度、加速度和姿态等导航信息。

第三，全系统信息余度控制和优化，子系统故障诊断与隔离，提供最优的多余度高精度导航信息，提供辅助决策能力。

与此同时该系统还需要满足各项性能，例如可靠性、适应性、精确性和实时性等等。总的来说，传感器在无人机自主精确导航系统中具有非常重要的作用，它可以通过其自身所具有的特性来提高无人机的各个方面的性能，从而使其具有更加优良的性能，以便更好的完成所需要完成的任务。

3.结语

随着时代的不断发展，无人机技术的发展必将越来越成熟，而传感器对其的发展具有非常积极的促进作用。通过结合多种类型的传感器，无人机可以更好地完成各种类型的任务，同时还可以使无人机具有更大的荷载能力和预警监视能力以及更大的航程和航时优势。不同类型的传感器所具有的特性是不一样的，所以可以赋予无人机多种功能，如对空探测、对地探测、通信等多种功能，使其能更加顺应时代的发展。在未来，传感器无人机的发展方向将会朝着智能化、大数据化等方向发展，同时无人机的类型也将更加丰富以满足不同种类任务的需要。但是传感器无人机的研究所涉及的内容包括航空和电子两大领域，因此在进行其研究时本身就具有非常大的难度，且涉及的技术也难度比较高，所以这是一项非常复杂且困难的工程，但是其一旦研究成功必将对信息化战争产生巨大的影响，将会是革命性的影响。但是传感器无人机非常具有发展前景，相信在不久的未来，随着科学技术发展得越来越成熟，传感器无人机技术一定会越来越成熟，更好为我们服务。

＊ [1]刘晓东，钟麦英，柳海.基于EKF的无人机飞行控制系统故障检测[J].上海交通大学学报,2015,49(6):884-888.

＊ [2]孙京宁，王眉.无人机飞行控制系统的传感器技术特性研究[J]无线互联科技,2010(3):13-14.

＊ [3]许中冲.基于多传感器信息融合的无人机飞行控制系统设计[D].中国民航大学, 2016.

＊ [4]姚瑞文.一种基于安卓手机和外部传感器的无人机飞行控制系统:CN105068544A[P].2015.

＊ [5]李永乐，黄肇星，问鼎.传感器网络在环保型无人机中的运用研究[J].科技论文与案例交流，2015（01）：11-13.

＊ [6]卜彦龙，牛轶峰，沈林成.基于多传感器信息融合的无人机自主精确导航技术[J].系统仿真学报，2010（2）：70-74.

＊ [7]李国民，张军红.传感器无人机发展状况及其关键技术[J]飞行力学，2012（12）：481-484.