无人机自动驾驶仪设计及控制方法

魏云鹏 朱罡 张源麟

【摘要】自动驾驶仪在无人机运行过程中发挥着十分重要的作用，有引导、跟踪、导航以及稳定无人机等功能。本文就此对无人机自动驾驶仪设计以及控制办法相关内容进行分析，明确自动驾驶仪的主要构成，探究无人机自动驾驶仪的设计目标等。通过对上述内容的分析，以期为相关工作人员提供参考。

【关键词】无人机;自动驾驶仪;设计

前言

在无人机运行过程中，最重要的子系统莫过于自动驾驶仪。无人机中不涉及机载飞行员，因此需要自动驾驶仪对不同类型控制功能有效实现，如自动起飞、执行相关任务、到达目的地、自动着陆等。保证无人机性能、控制的稳定性，相关的工作需要优化不同环节的配置、设计工作。

1无人机自动驾驶仪工作原理

大气数据传感器单元、飞行状态控制单元、惯性和GPS传感器单元以及微处理器单元是无人机自动驾驶仪的主要单元组成。作為飞行控制以及处理数据的核心，微处理器需要同时保证较快的效应速度以及完善的数字信号处理工作。

自动驾驶仪的的主要工作原理如下：地面站将相应的控制指令，如无人机飞行的空中速度、空中姿态、飞行高度以及航线信息等，借助无线电接收模块，将指令信息传递给第一处理器中，同时控制指令信号会有效存储相应的控制指令，结合角速率陀螺，从而明确现阶段无人机姿态信息误差信号，随后由第一处理器判断，应用PID控制率有效修正误差信号，借助调速器对电机转速有效调节，经由控制舵机方向舵以及副翼舵结合实际情况进行相应的偏转工作，对无人机姿态控制工作有效实现。借助大气数据传感器，能够对无人机的空速和高速模拟信号有效获取，借助相应的转换器形成数字信号，并经由第一处理器对形成的误差信号有效修正，有效控制无人机的空速和度。借助GPS接收机，能够对无人机的规划航信以及位置信号之间的误差信号有效获取，有效控制无人机的导航工作。第一处理器和第二处理器的相关数据会借助下行通信接口，传送给无线发射模块，并将信号传递给地面站中，从而保证工作人员对无人机的有效控制。

2自动驾驶仪系统人员设计

2.1设计模拟量通道

该通道设计工作主要是借助AD采集模块，采集转换相应的模拟量信号。为了对信号精度提升，可以应用F2812自带的AD转换器，对电源、温度信号等有效采集。应用模块转换器ADS8344，能够对加速度计、动静压传感器以及角速率陀螺等信号进行有效的采集。如果AD供电电压为5V，匹配的模拟通道输入范围便是0-5V，满足传感器信号电平的需求。但另一方面，需要考虑AD芯片与F2812接口之间不同的电平水平，需要有效转换电平。

2.2调理传感器信号

0-5V是动静压传感器、角速率陀螺的输出电压范围，并借助低通滤波电路连接ADS8344输入端。1.9-3.1V是加速度计模拟量输出范围，受到内部输出阻抗的影响，模拟量会出现不足的驱动力情况，因此需要在输出信号的基础上，对驱动能力有效增强。同时，为了对输入范围精度有效匹配，需要对不同方面电压有效考虑。

2.3扩展数据存储器

在自动驾驶仪中，记录、保存数据是重要工作之一。扩展非易失性存储器，能够对不同方面的功能有效实现，如对参数有效控制、存储航路点信息与导航、对无人机飞行状态数据有效存储，为后续工作奠定良好的基础等。为了实现对存储器的扩展工作，可以借助相关的芯片，如FM25256B芯片，该芯片应用铁电技术进行相应的制造工作，且还该芯片还具有SPI总线接口，能够与不同通电有效连接。

2.4输入输出舵控信号

应用F2812，能够借助其自身的PWM波形发生器，能够提升便利性，对CPU开销有效减少，加之16位分辨率，能够对执行机构动作的精度有效保证。PWM输出电压和舵机控制信号电压幅值分别为3.3V和4-6V，可以借助相关的驱动芯片进行相应的升压转换工作。

3设计控制、导航方案

无人机姿态信息是设计导航、控制方案时需要重视的信息。在一些小型无人机中，可能不适合对光纤陀螺、机械陀螺应用，因为其有较高的成本以及较大的体积。微机电技术的发展使得MEMS应用范围也进一步扩大，该设备有较低的成本、较小的体积。相关工作人员需要明确姿态角，针对对角速率陀螺输出信号开展相应的积分工作。但另一方面，对于成本较低的角速率陀螺，其有较大的漂移，很容易在短时间内出现误差，需要借助其他方式修正上述误差。借助敏感重力加速度，能够对加速度计的姿态角有效估计。载体位于均匀运动或是静止的过程中，应用上述方法有较高的精度，但是如果有其他因素干扰，很容易导致误差。因此可以借助三周角速率陀螺以及三周加速度计构成相应的测量单元，有效估算无人机稳态飞行时的姿态，对姿态误差有效避免，对姿态估计的动态性能有效保证。对无人机位置、姿态控制和稳定性保证，是自动驾驶仪的主要控制任务。控制器一般为双回路结构，具体分为内回路和外回路，传感器、无人机以及舵机共同构成稳定的资源以及控制回路，稳定的控制回路是外回路主要组成。角速率陀螺主要提供内回路角速率反馈信号，角速率陀螺以及综合加速度计的信息进行滤波算法得到姿态反馈信号。GPS接收机提供外回路的航向信息和位置，空速信息、气压高度由动静压传感器提供，主要控制方式为三通道。借助纵向通道，能够对稳定、控制工作有效实现。

在设计工作中，重要内容之一即是设计航迹跟踪方案。航迹跟踪方案设计，即是对导引律设计，保证无人机在运行的过程中，能够真不同航路点精准通过，从而顺利完成飞行任务。以小型无人机为例，其一般能够飞行几十公里，在对不同数据计算的过程中，为了对计算的便捷性提升，可以将起飞点定为原点，并将导航坐标系定为北天东坐标系。经纬度信息能够被GPS接收机有效提供，需要对导航坐标系中的直角坐标有效转换，并对任务点和航电有效转换。将无人机当前位置以及所要经过的位置转化到相应的坐标系中，从而明确不同数据，并将相应的指令传输到不同的系统结构之中，保证对无人机自动驾驶仪控制的质量和效率。

4总结

综上所述，本文主要对无人机自动驾驶仪设计相关内容进行了相应的分析。在对系统以及相关方案设计的过程中，需要在工作原理基础上，对不同结构进行详细的分析，保证不同方面设计工作的质量和效率，从而对控制自动驾驶仪稳定性有效提升。针对设计中的不足，相关工作人员仍要加强研究。

【参考文献】

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