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试制最简无人机系统

发布时间:2018-12-26 01:06:05 文章来源:未来智讯    
    试制最简无人机系统作者: 穆燕城   近年来,国外新型无人机面世、无人机协同作战等消息和报道引起了民众对无人机的广泛关注,航模人对其关心程度也空前高涨。模友们纷纷交流、研讨无人机相关知识,甚至有人试着开发了大略的计算机系统对模型飞机的飞行姿态和速度进行抑制,实现了航模的自主飞行。
  神秘的无人机到底特殊在哪儿?其实,作为一名航模人,如果能自己动手用单片机和现有遥控模型做出一架无人机并成功试飞,就会得到答案。
  遥控模型飞机与无人机的区别
  遥控模型飞机在执行飞行任务时,需要操纵手对其进行实时无线电抑制,并随时根据飞行状态做航向、高度、速度的修正,以完成航线或特技飞行。也便是说,航模须始终处于人的抑制下。
  无人机则不同。通俗地讲,无人机能实现自主飞行,能在不进行实时干预的情况下完成航线飞行、特技动作等既定任务。这是因为无人机依靠计算机预设程序可自行判断自身的飞行状态、航向、位置并完成预设飞行任务。近年来国内大学间进行过一些无人机竞赛,如要求飞机抵达指定场地、定点投放物品等。需要特别说明的是,“第一视角”飞行并不属于无人机飞行,因为它仍是一种人为实时抑制的飞行。
  为使无人机具备自主抑制飞行能力,利用计算机程序对其进行抑制是首选。因此对航模人而言,可尝试制作加装了飞控的模型飞机,以体验最大略的无人机系统。
  最简无人机系统
  最简无人机系统由一架遥控模型飞机(全套系统)和一个能对其进行自主抑制的单片机系统组成。其中遥控模型飞机能够是常规布局、飞翼布局或“鸭”式布局,甚至是扑翼机,只要能承载自身和单片机系统重量并保证正常飞行就行。单片机系统包括通用的单片机、必要的传感器以及飞行抑制软件。
  现在通过网络能找到许多公开了信息甚至数据源代码的无人机抑制系统。其中有些是经过多年实验、较为成熟的小型民用无人机系统,如UP10\UP40系列、2028系统等;还有些是个人利用通用单片机开发出来的简易无人机系统,如“独眼龙(CYCLOPS)”、“KK”、“大男孩”(图1)等。笔者将在接下来的篇幅里,从最简无人机系统制作试验切入,对单片机抑制系统的构成、单片机与航模的软硬件配合和无人机的飞行抑制调整进行介绍。
  单片机抑制系统的构成
  作为无人机的电子“操纵手”,单片机抑制系统麻雀虽小、五脏俱全。它具有对飞机的飞行状态进行实时判断、计算以及不时修正的功能。以最大略的“平飞”为例,单片机的抑制流程包括“平飞状态检查—发现偏差—计算调整量—驱动舵机—再次检查飞行状态—……—平飞状态恢复”。
  由此可见,在整个飞行过程中单片机抑制系统需要不停地对飞机的状态做检查和修正,因此其中应包含与之对应能探测各种飞行数据的传感器以及一套始终保持不变的飞行基准。陀螺仪、红外传感器、空速计、加速度计、GPS卫星定位系统等都是单片机用于测算飞行状态的基础。笔者曾用过一些供航模爱好者试验的单片机抑制系统,如“独眼龙”、“大男孩”等,它们主要依靠电子加速度计、红外平衡仪、GPS定位仪、空气压力计和电压电流传感器对飞机飞行状态进行检测和计算。虽然这些系统的测算精度一般,但用于试验飞行绰绰有余。
  单片机与航模的软硬件配合
  上节提到了单片机系统里可能用到的传感器,在本节笔者将一一为模友解说它们的功能。陀螺仪自诞生以来,一直是保证飞行基准的重要部件。惟有手掌大小的超微型遥控模型直升机便是因为加了电子陀螺仪,才可坚持稳定的“3D飞行”。与之有类似功能的电子元件3mm见方、重量不到0.2g,直接装在电路板上与单片机联合后,就可用于检测和抑制飞行基准。在许多单片机抑制系统中,微型电子陀螺仪和加速度计是主要传感元件,能完成对飞行方向 、滚转角度和俯仰变化的检测。如可用在常规布局飞机上的“独眼龙”飞控系统,其红外平衡式单片机抑制系统主板约为28g,而加装了陀螺仪和加速度计的小型OSD系统主板仅为14g(图2)。
  红外平衡仪是单片机抑制系统常用的一种飞行姿态传感器。4只红外感应管被装在传感器方形电路板水平面的4个方向(图3右),起飞后这4只二级管“盯”着天地相接的地平线,并根据飞机与地平线的平行度从4个方向输出不同强度的信号,根据这些实时传回的信号变化单片机即可判断飞机的实时状态。为避免外界干扰引起误判,“独眼龙”还特别增加了一个由2只红外感应二级管组成的传感器(图3左)专门“盯地”,与有4只二极管的传感器并行使用,增加了红外感应器水平基准判断的可靠性。“盯”着地平线的红外传感器电路板需要安装在飞机的较高部位,如机翼上表面(图4);而专门“盯地”的电路板一般安装在机身侧面(图5)。
  图6为简化的红外线平衡仪“平飞”事务流程。从中能够看出,这种平衡方式虽然对照大略,但效果明显。
  卫星定位(GPS)系统可检测和计算飞机的航向、位置和高度。图7为简化的GPS系统坚持原飞行状态的事务流程。实际在飞行过程中,飞机的位置和高度在不时变化。GPS系统可监测到的数据包括其飞行方向、高度、角度和地速(相对地面速度)。只管民用GPS系统的定位精度较低,一般经纬度和高度误差可达几十米,但考虑到航模人的无人机飞行试验一般在视距内进行,这样的精度足以保证它平安飞行,惟有起飞和下降局部难以实现自驾。
  图8为一架飞翼模型,在其右翼面上装有GPS系统天线。该机主板设有视频输出接口,可通过导线将视频信号显示在右下角的屏幕上。筹备飞行时,飞手可通过开关板对各项数据进行调整,并在屏幕上观察调整情况,起飞前将视频导线拔下即可。如需将飞行时视频和数据实时输出,则可通过由发射机无线传输到地面的接收机和监视器实现。
  由于飞机在顺风飞行时须避免失速,因此得监测它的速度。要得到这个飞行数据,不但需要从GPS系统测出的地速,还要与之相配合的空速测量。一根空速管,再加上小型电子压力传感器,就能计算和测量出飞机相对空气的实际速度。此外,为实时明白飞机动力系统情况,单片机抑制系统还包括油料检测、电压电流检测传感器(图9)和其他测试部件。   因为需要准时测量和显示很多飞行数据,所以单片机抑制系统都会设计一个不算复杂的显示屏面,使各种数据一目了然(图10),这便是抑制系统的人机对话窗口。它是飞手观察飞行状态、调整飞行航线和指标点的重要依据。
  这里以“独眼龙”系统为例做一大略介绍。“独眼龙”系统除了主板、红外平衡仪、GPS以及电压、电流、速度等传感器外,还设置了一个可预设航点的三开关数据调整板(图11),大大简化了地面站系统。需要装在飞机上的局部有主板、红外传感器(2只)、GPS传感器、电压电流传感器、视频发射机和人机对话用开关板;而设置在地面上的局部惟有视频接收机和监视器(图12)。因飞机的电子系统和动力系统共用电源,故整套单片机抑制系统使飞机仅增重200g。像“独眼龙”这样的廉价、低精度单片机系统,一般不能抑制飞机自动着落,因此又设置了自动抑制与手动遥控的转换开关。这样操纵手可在飞机起飞、下降和飞行过程中随时切换到手动遥控,以避免实验失败、造成严重丧失。
  试制最简无人机系统
  明白无人机系统相关知识后,笔者进行了最简无人机系统的制作尝试。考虑在实验过程中需不时调整自驾仪,航模局部最后定型为整个机舱可打开的飞翼布局(图13)。下面省略飞机的制作局部,主要介绍一下模友接触较少的单片机和各种传感器安装。
  为削减飞行过程中的震动,主板可包裹在一个用EPO泡沫塑料做成的卡套中(图14)。这个卡套不但能把主板“温柔”地固定在机身里,还能将所有连接在主板上的电线(共18组、50多根导线)稳住,可在一定程度上削减导线接触不良的情况。2个红外线平衡传感器(图15)的安装位置已在前文介绍过,此处不再赘述。
  GPS是飞机最重要的飞行数据来源。它的天线较为小巧,应该水平固定在飞机上翼面没有任何遮挡的部位,以便接收天空中的卫星信号。否则一旦卫星信号不够强就易出现“丢星”现象,飞机将无法实现自主飞行。电压电流传感器可放置在机身内部。需注意的是,由于电压电流传感器在事务时热量大,因此需安装在具备散热条件的环境里,切忌将它和电子调速器放在一同。
  无人机的试飞调整
  无人机的试飞调整远比遥控模型飞机的难,这是因为它包含了硬件和软件的双重调整。惟有操纵手对每一个抑制动作的变化有准确的逻辑分析,在遇到故障时能明确判断属硬件问题还是软件问题,才有可能准确地调整单片机抑制系统。
  无人机的试飞调整分两局部。最初应在无自驾系统时对飞机进行试飞和调整,将其自身本能调整到位。试飞的最后结果应是:飞机能平稳地起飞、下降、飞航线,所有舵机调整局部位置居中。此后再起初进行自驾系统的统调。
  地面结合调整是投入自驾系统后首要完成的内容。当自驾系统开机事务正常(包括卫星信号正常)后,将遥控器置于“手动”状态,这时在地面站显示器上可看到各类飞行数据。此时把飞机平放在地面(使用红外线平衡系统的应举到高处),检查显示器上表示飞机平衡的数据是否归零。这项内容完成后,飞行基准才算确定了。在调试电路的过程中,如有任何数据处于警示状态,必须找出警示原因。惟有所有数据正常时,才可继续下一步实验。在地面检查里还有一项很重要的测试:将自驾系统置于“增稳”状态,把飞机平行于地面举起来,看各个舵机是否在平衡位置;再将其左右摆动一下,看副翼舵机是否进行修正动作、方向是否准确(图17、图18)。用同样的办法观察常规布局飞机水平尾翼舵机和俯仰动作的配合,以及垂直尾翼舵机与飞行方向修正的配合。
  地面检查合格后,就可进行动力试飞了。先用遥控器在“手动”状态下操控飞机至离地面70~80m高,然后在其进入平飞姿态时,转入“增稳”飞行状态。之后,需集中精力仔细观察飞机的飞行姿态:如果顺利,它会“平飞”前行,高度也不会发生波动。如果出现不稳定状态,立即转回“手动”状态,操纵飞机下降并检查原因。如果左右摆动或者俯仰波动,考虑是否舵机修正量过大;如果转入“增稳”后不能保持向前“平飞”,可能是因舵机修正量过小,应在下降后调整舵机拉杆位置,减小或者增大修正舵量,而后重新试验,直至飞机在“增稳”状态下可以保证稳定“平飞”。如果飞机做有规律的不平衡飞行且保持在一定的高度和方向,问题就复杂一些。这说明虽然“增稳”修正起了作用,但几个方向舵量不合适,需仔细琢磨飞行轨迹后再行调整。如果飞机会沿预定航线飞行,但高度不时提高或不时降低,且加大或者减小油门不起作用,说明水平抑制系统有问题,需检查水平尾翼舵机修恰是否准确,红外线探测电路事务是否正常,同时从地面站检查高度数据的变化过程,以进一步判断问题所在。
  “增稳”飞行成功后,就可做“自动驾驶”试验了。下面仍以“独眼龙”为例。该系统选取了简化的方位设置,可在路径上设置8个航点(包括方位和高度):以加电开机位置为中心,向北方向为0°线,向东方向为90°线,据此设置飞行轨迹。如将45°方向、高度200m设为第一点,飞机手动起飞后在头顶上方转为自动驾驶。这样设置后,飞机先会转向第一点,然后逐步改变高度,沿直线飞向第一点。抵达第一点后,再转向第二点,直到飞过所有设置点,最终按照预设设置返回起飞点上空盘旋待降。
  在实际飞行中,由于航点精度对照差,飞机不可能正确抵达某一点,因此实际设置的航点是一个半径几十米的圆。例如设置半径为40m时,飞机只要飞到距中心点40m范围内就算抵达航点,并立即转向下一个航点。在自动驾驶仪抑制下,飞机的起飞点和下降点同样有盘旋半径。
  经笔者尝试,使用“独眼龙”这种业余型单片机抑制系统,飞机的测量和显示精度都很低,尤其高度方面误差较大;设置成自动和“增稳”模式后可得到明确的飞行轨迹,但仍不能依靠该系统完成自动起飞和下降。或许,这也是该级别无人机系统试验始终离不开遥控器的最根本原因。
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