无人机竞技大赛技术解决方案

无人机竞技大赛技术解决方案
零度智控（北京）智能科技有限公司
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目录
1 项目背景及需求分析 (3)
2 系统设计原则 (4)
3 系统设计方案 (5)
3.1 两种系统方案 (5)
3.2 两种方案的比较 (5)
3.3 系统硬件整体概述 (6)
3.4 系统示意图 (6)
3.5 YS100的主控板介绍 (7)
3.5.1核心板外观 (7)
3.5.2核心板物理参数 (7)
3.5.3核心器件介绍 (8)
3.6 其他相关硬件 (8)
3.6.1电源部分 (8)
3.6.2通讯链路 (9)
3.7 地面站介绍： (10)
4 YS100系统如何实现此次比赛的要求 (11)
4.1 理论基础 (11)
4.1.1飞机总能量控制理论 (11)
4.1.2 视觉导航简介 (12)
4.2 过程分析 (15)
4.2.1起飞 (15)
4.2.2降落过程分析 (15)
4.2.3 着舰过程分析 (15)
5无人机配置方案 (17)
6 系统性能和安全性 (17)
1 项目背景及需求分析
在我国国民经济繁荣发展的新时期，航空事业的发展正面临历史机遇。

为普及航空科技知识，推动航空科技创新发展，营造航空文化氛围，提高国民航空意识。

2010年11月17日下午在珠海航展上，举行了“中航工业杯—国际无人飞行器创新大奖赛”的启动仪式。

仪式结束后，由于零度智控在无人机领域所处的领先地位，有很多客户来电咨询我们能否提供无人机大赛的技术。

我们仔细分析了此次竞技大赛的要求，首先大赛要求设计和制造小型常规固定翼无人机系统，完成自主起飞，空中自主飞行，和在模拟航母甲板上的自主着舰演示飞行。

其次可以看出精确起飞、航线飞行和下滑拦截着舰是此次竞技大赛的得分重点。

最后先进的引导原理以及飞行控制稳定精确稳定，则决定得分的高低。

结合我公司自主创新的先进无人机飞行控制技术，通过理论论证，建模分析、模拟仿真，以及后期实际实验试飞，开发出了符合此次竞技大赛要求的无人机控制YS100系统。

我公司的YS100系统，在天气良好的良好下：精准自主起飞和航线飞行的成功率在90%，而带动力自主着舰并成功挂住绳索的成功率在85%以上。

如果客户您在此次竞技大赛中使用了我公司的无人机控制YS100系统，那么您在比赛中取得好成绩就多了一份保障。

2 系统设计原则
根据比赛要求，系统要实现飞机与地面站的双向数据交换，拟用采用两种链路模式：
1. ADS模式，实现飞机定时向地面站发送报告的功能。

2. RC模式,实现地面站向飞机发送询问、控制指令的功能。

针对小型无人机机体体积小、重量轻、实时性要求的特点，系统设计遵循如下原则：
1.方案完全遵循比赛规则的要求，大胆创新的思想，发扬航空文化以及展现绿色航空的理念。

2.飞控主板以及机载通讯设备力求轻便。

3.要求传输设备性能良好，飞控主板处理能力高、实时性好。

4.地面站软件设计遵循易用原则，用户界面设计友好、直观、统一规范。

5．安全性能可靠，有应急操作程序和特情处置预案。

3 系统设计方案
3.1 两种系统方案
此次竞技大赛中，飞行器按要求自主降落着舰过程尤其重要，是设计的难点同时也是比赛得分的重点。

根据引导原理的不同，我们提出了两种解决方案。

方案1.使用DGPS/GPS引导系统。

方案2.使用视觉导航和超声波测高辅助引导。

3.2 两种方案的比较
方案1.DGPS/GPS引导系统，虽然精度高，使用简单，但是信号容易受到无线电信号干扰并易丢失。

而且传统设计方法亮点不够，难以在设计上胜人一筹。

方案2. 视觉导航和超声波测高辅助引导是一个比较新颖的方法，虽然它成本高，控制算法难度大，但是视觉导航获取的位置信号不受其他信号的干扰，能够使飞机在降落时，安全自主降落在规定区域内，相应的得分机比较多。

从客户的角度出发，为在比赛中获得好的成绩，我们接下来重点论述方案2，使用视觉导航和超声波测高辅助引导。

3.3 系统硬件整体概述
该硬件系统是ARM9+FPGA的经典嵌入式架构，结合IMU和加速度计等传感器以及外围电路实现控制飞机平衡的一个独立、完整的硬件系统。

它的主要功能为实现如何控制飞机在飞行过程中的平衡进行分析，通过系统中的陀螺仪和加速度计组成的一个精确无漂移的惯性姿态平衡系统。

同时利用GPS、气压传感器、超声波传感器和视觉导航的方法获得飞机当前精确的三维定位，通过结合姿态控制和定位，实现飞行器的惯性导航和自动驾驶。

3.4 系统示意图
图1 系统示意图
3.5 YS100的主控板介绍
3.5.1核心板外观
图2 主板外观图3.5.2核心板物理参数
尺寸：107.1mm*57.0mm
重量：46g
存储温度：-40～+65℃；
工作温度：-20～+55℃；
3.5.3核心器件介绍
微处理器采用基于ARM9架构的AT91RM9200，主频最高200MHz，搭配FPGA实现多路脉宽信号的同时捕获、无时差输出，以及高速的陀螺信号读取；
A/D器件采用AD公司的ADS1256，24位高精度，8路通道差分输入，除了采集3轴加速度和3轴角速度信息外，还可采集电池电压以及进行电流测量；
超声波传感器测高精度1cm，测量范围为5m；
气压计采用Intersema公司的MS5534压力计，测量精度为0.1mbar，即10帕斯卡，对应约0.8米的测高精度；
GPS模块采用ublox公司的LEA5代芯片，最高4Hz输出。

该系统还集成一个只高端的IMU惯性传感器ADIS16405，它是一款完整的三轴陀螺仪、磁力计与加速计惯性检测系统，这款传感器结合了混合信号处理技术，提供校准的数字惯性检测，是高集成度的解决方案，体积为23mm×23mm×23mm，重量不超过16g。

3.6 其他相关硬件
3.6.1电源部分
飞控板：YS100自动驾驶仪的供电电压是7～20V，推荐的供电电压是12V，可使用3节锂电池串联供电；
接收机：电源由飞控主板提供，无需外接电源；
舵机：外接电源，供电电压4.8～6V，并与自动驾驶仪的舵机输出共地。

3.6.2通讯链路
1.接收机部分
系统使用频率应符合国家无线电管理委员会的频率分配规定，所以我们系统推荐使用10通的72M
或者2.4G的接收机。

2.数字电台部分:
该系统的通讯链路并不是YS自动驾驶仪内部的一个模块，用户应使用外置的通讯链路模块来实现自动驾驶仪和地面控制软件间的通讯。

YS100自动驾驶仪使用的通讯链路应是双向的。

上行链路负责传送地面人员发出的指令，传送航点规划等等。

下行链路则负责传送飞行状态等遥测信息。

YS100自动驾驶仪与通讯链路之间的异步串行接口是RS －232；需要用户为通讯链路提供单独的供电电源。

3.GPS部分
YS100自动驾驶仪选用平板式GPS天线，该天线接收信号的能力较强，并且能有效克服地面
反射的虚假信号。

在安装时，应注意将天线的上表面向上，且水平放置，周围不应有金属遮挡物。

3.7 地面站介绍：
地面站软件与飞机进行双向数据通讯，主要有以下作用：设置飞控参数；标定与设置参数；飞控飞行PID实时调整；监视与控制飞行状态；图形化显示飞行数据；可视化编辑飞行航线（航点）；控制任务载荷；回放飞行数据及照片数据。

图3 地面站软件界面
4 YS100系统如何实现此次比赛的要求
4.1 理论基础
4.1.1飞机总能量控制理论
升降舵和油门杆对飞机响应的耦合特性使得基于单输入单输出的控制器设计方法不能实现飞行速度和飞行航迹的单独控制,在飞机低动压飞行状态下飞行速度/航迹耦合更加剧烈.如飞机着陆进场阶段1度的航迹角偏差可产生2m/s的速度偏移.5s由1m/s 的速度偏差可产生6m的高度偏移.飞行速度/航迹去耦合控制律设计是改善飞机纵向机动性能,提高飞机着陆精度的有效途径.目前一般的做法是在高度保持模态下进行速度控制或在速度保持模态下进行高度切换,但由于缺少舵面和油门杆间合适的协同控制,解耦控制效果并不理想.
将偏差控制引入到基于飞机总能量控制的飞行航迹/速度解耦控制中,从而实现对飞行速度/飞行高度的无稳差控制,又能保证不损失以能量控制为核心建立起来的控制量动态信息.
基于飞机总能量控制的飞机速度/航迹解耦控制理论的简单介绍，飞机的能量方程可如下表示
E T=GV2/2g+Gh (1)
式中，E T 为飞机总能量，它由飞机的动能和势能两部分组成。

G 为飞机重量，g为重力加速度，V为空速，h为飞行高度.
下面给出基于飞机总能量控制解耦控制的核心算法结构图
图4 算法结构图
R c 、V c 为系统期望的航迹角和飞行速度。

YS100飞控系统中纵向控制模态设计中包括：航迹角跟踪，高度跟踪，下滑角跟踪，垂直导航，空速跟踪，时间导航。

通过建模仿真后得出的结论是，在基于飞机总能量控制的核心算法的基础上，引入偏差控制以消除系统对飞行速度和飞行高度的稳态误差，从而显著提高系统的解耦性能。

使所设计解耦控制律对飞机参数不确定性和干扰不确定性具有一定的鲁棒性。

4.1.2 视觉导航简介
无人机自动着陆导航的关键参数是飞机在地面上某一固定坐标系中的坐标( x ，y，z )。

视觉导航系统基于投影几何学，利用图像跟踪技术及三角解算获取空间位置。

其基本思路是通过机载图像传感器获取跑道图像，提取跑道特征量后与已知参考位置的特征量进行比较，来确定无人机的空间相对位置。

考虑到机载图像采集装置的可维护性及图像稳定性等因素，故把图像传感器
安装在地面跟踪系统上，从而实现地面导航，如图5所示：
图5 视觉导航原理框图
图6 双视觉导航系统
导航方法可以采用单视觉或者双视觉导航，这里只对双视觉导航进行简单介绍。

为采用 2个图像采集分系统的双摄像机视觉导航系统，如6图所示，2个图像跟踪系统分别放置在跑道两侧，利用图像跟踪技术在图像中锁定无人机，图像采集装置 ( 摄像机)安装在二轴转台上，以精确记录偏转角度。

其方位角记为α1 、α2 ，转台偏转俯仰角记为β1、β2 。

通过角度及转台间的距离，可确定无人机的相对空间位置。

双摄像机视觉导航需 2个图像跟着舰控制系统 无人机与着舰目标
的相对运动控制
图像采集 装置
运动物体识 别与跟踪 三角计算相
对空间位置
踪系统同时工作，依三角测距原理测定距离。

取系统中的某台摄像机镜头中心 ( 如左摄像机)为原点建立地面坐标系，在x轴上安装图像跟踪系统，设2摄像机镜头中心距离为S 。

该系统将各自测得的转台俯仰角和方位角通过串口或网络传入导航计算机。

如图7 ，A为飞机所在位置，Ol O2 =S，α1、α2，β1、β2可从2个图像跟踪系统中的转台中直接获取，令HG=h，由：h*tanα1+ h*tanα2=S 和h =S/( tanα1+ t anα2)得飞机在地面坐标系中的坐标( x ,y,z ) ：
x= h*tanα1=s *tanα1/( tanα1+tanα2)
y= h*tanβ1/cosα1=s* tanβ1/(cosα1*( tanα1+tanα2))
z=-h=-s/( tanα1+tanα2)
图7 双摄像定位原理图
4.2 过程分析
4.2.1起飞
YS100系统在安装调试完成后，起飞过程非常简单。

通电并确认GPS定位后，上传规划好的航线后，将遥控器第5通道开关拨到自动驾驶模式，飞行器即自动起飞。

在自主起飞后，通过飞控内部程序来控制，飞行器会按直线飞行慢慢爬高，从而通过顺利通过限宽门，进入航线飞行。

4.2.2降落过程分析
无人机在完成全场飞行后，自主降落目标区域。

地面会需要在着舰区两侧放各一个摄像机，通过对地面视频采集系统中摄象机朝天观测的视频图像进行分析处理，图像处理算法采用自动目标识别（ATR）和三角解算的方法，在固定的背景里提取出飞机所在空间里的实时三维坐标，即通过视频测量飞机的位置，来控制修正飞机的轨迹，引导飞机降落的高度偏差和位置偏差这样通过不断的坐标计算，足够保证飞机在自主降落后顺利通过限宽门。

4.2.3 着舰过程分析
飞行器降落最后一步是带动力滑跑式着舰，通过飞行器的地钩勾着着舰区域的绳索顺利完成降落。

首先比赛规定舰上拦阻索为长度8米、直径5毫米的尼龙索，中心高出有效着舰区平面30毫米。

这时采用超声波传感器测高度来辅助着舰。

因为当飞机进入甲板上空时时由于甲板高出地面0.8米（见比赛规则），超声波会测量高度变化很大,CPU检测到该信号后,开始计时（超声波测高每秒可刷新40次），飞机此时的速度是GPS速度，比较准确，于是可以计时间推算出飞机过了甲板以后的位置。

这样，推算出过了第1根索的时间（第1根索离甲板边缘的距离是固定的，比赛规则中大概是16米多），然后触地放钩，而两根索的距离是4米，GPS的速度误差和时间计算使飞控获得的过第2根索的时间距离误差不会超过4米。

由此可见，YS100系统完全实现了飞行器飞行器带动力滑跑式拦阻着陆。

示意图如下：
图8 着舰示意图
5无人机配置方案
部件名称数
量
单价（万）总价（万）
备
注
电动无人飞行平台1套YS100100飞控计算
机
1套10 10 电动版数据测控电台1套 1 1 机载端高清CCD摄像头1套0.5 0.5 标配图像传输端1套 2 2 标配
地面控制站便携式地面控制站1套 5 5
标配，含
地面站软
件数据测控电台1套 1 1 地面端测控天线组1套0.5 0.5
全向、定
向天线图像接收端1套 2 2 标配笔记本计算机2套用户自配地面导航系统1套10 10
技术服务和维修保障
费
包含：人工、调试、
安装、培训等技术服
务
5 5
合计
1套电动无人机平台，1套地
面站标配 37万；
6 系统性能和安全性
集成4Hz更新率GPS，数字式空速、气压传感器，0.1mbar 高精度，高度测量可扩展无线电高度计；
✈集成高质量IMU，通过带GPS修正的Kalman滤波计算最贴近真实情况的飞机姿态，动态精度±2º，消除瞬时加速度、陀螺漂移对姿态计算的影响；
✈使用跳频遥控信道传输遥控指令，跳频902~930MHz，屏弃普通无线遥控器，相当于扩展了跳频抗干扰遥控增程器，遥控控制距离增强到电台的控制距离(地对空10~50km以上)，抗干扰性极强，在电磁环境复杂地区仍然能安全可靠的手动遥控无人机；
✈提供半自主控制，操作员仅仅进行摇杆的左右操作，在定高状态下自动控制无人机飞行；
✈实时修改、上传航线，实时调整飞行控制参数；
✈飞行操控手的所有操作动作均有数字记录，可回放分析操控过程；
✈实时显示3轴加速度值、3轴陀螺值等IMU传感器信息；✈7—20V宽电压输入，12位A/D采集电压监控；
✈用户可设置的安全保护功能；电压监控、发动机转速监控，发动机灭车、意外安全保护；
✈支持完全副翼转弯、压坡度横滚转弯，支持常规、V尾、H 尾、三角翼等各种布局；
✈搭载在系留平台高空悬浮7天考核，经过军品装备验收程序严格考核，高低温、振动、冲击、电磁兼容等各项指标符合国家军标。