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無(wú)人機(jī)自主智能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究

2022-03-11 06:47鄭先茂班衛(wèi)華孔慶鋒李宇程
關(guān)鍵詞:模態(tài)傳感器規(guī)劃

鄭先茂,班衛(wèi)華,孔慶鋒,李宇程

(廣西電網(wǎng)公司百色供電局,廣西 百色533000)

1 引言

無(wú)人機(jī)(UAV)即不需要駕駛?cè)藛T操縱,便可自主或者遠(yuǎn)程控制實(shí)現(xiàn)飛行的機(jī)器人系統(tǒng)。于1917年英國(guó)首次成功研發(fā)了世界上的第一架無(wú)人機(jī),且應(yīng)用到了第一次世界大戰(zhàn)中。由此,無(wú)人機(jī)經(jīng)常長(zhǎng)遠(yuǎn)的發(fā)展進(jìn)程,在局部戰(zhàn)爭(zhēng)中充分發(fā)揮了關(guān)鍵性作用。早期,無(wú)人機(jī)在軍事領(lǐng)域的應(yīng)用比較頻繁,隨著不斷發(fā)展逐步推廣到了農(nóng)林業(yè)、電力行業(yè)、物流行業(yè)、地質(zhì)勘探、環(huán)境監(jiān)測(cè)等各個(gè)民用領(lǐng)域。而無(wú)人機(jī)自主化是當(dāng)前無(wú)人機(jī)的主要發(fā)展趨勢(shì),必然會(huì)在一定程度上促進(jìn)無(wú)人機(jī)的廣泛深層應(yīng)用發(fā)展[1]。本文針對(duì)無(wú)人機(jī)設(shè)計(jì)了自主智能控制系統(tǒng)。

2 無(wú)人機(jī)自主智能控制等級(jí)劃分分析

無(wú)人機(jī)自主控制系統(tǒng)過(guò)于繁雜,將全部數(shù)據(jù)信息與控制指令放置于中央處理器進(jìn)行控制,勢(shì)必會(huì)導(dǎo)致控制系統(tǒng)紊亂,結(jié)構(gòu)失衡,數(shù)據(jù)信息錯(cuò)亂,不僅會(huì)阻礙無(wú)人機(jī)維護(hù)與管理工作開(kāi)展,還會(huì)大大降低無(wú)人機(jī)CPU計(jì)算與處理速度。所以就無(wú)人機(jī)自主控制系統(tǒng)的控制流程與特性,進(jìn)行控制等級(jí)劃分[2],具體如圖1所示。

圖1 控制等級(jí)

由圖可知,無(wú)人機(jī)自主控制系統(tǒng)由任務(wù)系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)、協(xié)同作業(yè)系統(tǒng)共同構(gòu)成,各系統(tǒng)分別由相應(yīng)子系統(tǒng)組成,通過(guò)若干層級(jí)逐步劃分,最終基于無(wú)人機(jī)系統(tǒng)底層執(zhí)行單元負(fù)責(zé)系統(tǒng)指令執(zhí)行的相關(guān)任務(wù)。

3 無(wú)人機(jī)自主智能控制系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

無(wú)人機(jī)各傳感器通過(guò)獲取外界環(huán)境相關(guān)信息,并傳輸于CPU加以處理、計(jì)算分析,從而得出結(jié)論,在此基礎(chǔ)上,將控制信息傳輸于各執(zhí)行部件,以實(shí)現(xiàn)自主智能控制。無(wú)人機(jī)自主智能感知系統(tǒng)示意圖具體如圖2所示。

圖2 無(wú)人機(jī)自主智能感知系統(tǒng)示意圖

由圖可知,無(wú)人機(jī)的動(dòng)作必須非常精確,除了穩(wěn)定,還要能到飛行到預(yù)期的高度并有效進(jìn)行溝通,同時(shí)執(zhí)行相應(yīng)任務(wù)。其中,慣性傳感器負(fù)責(zé)檢測(cè)和測(cè)量加速度、傾斜、沖擊、振動(dòng)、旋轉(zhuǎn)和多自由度運(yùn)動(dòng),是解決導(dǎo)航、定向和運(yùn)動(dòng)載體控制的重要部件;磁傳感器、傾角傳感器相結(jié)合可實(shí)時(shí)測(cè)量無(wú)人機(jī)飛行姿態(tài);距離傳感器負(fù)責(zé)探測(cè)無(wú)人機(jī)與周?chē)系K物的間距,避免無(wú)人機(jī)和外界物體相互碰撞,或者測(cè)量無(wú)人機(jī)與目標(biāo)之間的距離,獲取測(cè)量距離數(shù)據(jù),實(shí)時(shí)顯示在控制面板上;溫度傳感器可測(cè)驗(yàn)所處環(huán)境具體溫度,而其他傳感器測(cè)量值精確度與溫度息息相關(guān),所以,需就溫度傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行溫差補(bǔ)償,以確保測(cè)量數(shù)據(jù)信息精確性;加速度傳感器負(fù)責(zé)測(cè)量空間中各方向加速度。

基于無(wú)人機(jī)自主智能感知系統(tǒng)設(shè)計(jì)了無(wú)人機(jī)自主智能控制系統(tǒng),其中不僅包含經(jīng)典導(dǎo)航、制導(dǎo)、控制多項(xiàng)功能,還吸收了類似于人類認(rèn)知行為的規(guī)劃、預(yù)測(cè)、決策、學(xué)習(xí)等高層次智能化功能,其整體框架[3]具體如圖3所示。

圖3 控制系統(tǒng)框架

以人類認(rèn)知行為為基礎(chǔ)的無(wú)人機(jī)自主智能控制系統(tǒng)功能具體即:決策性行為層功能為態(tài)勢(shì)感知、智能決策、任務(wù)規(guī)劃、任務(wù)管理等;反射性行為層在控制系統(tǒng)中負(fù)責(zé)飛行導(dǎo)航、制導(dǎo)、控制等;程序性行為層的作用是故障自主修復(fù)、環(huán)境自適應(yīng)等。

4 無(wú)人機(jī)自主智能控制系統(tǒng)詳細(xì)設(shè)計(jì)

基于人類認(rèn)知行為模型的無(wú)人機(jī)自主智能控制系統(tǒng),轉(zhuǎn)變決策性、反射性、程序性行為層為任務(wù)管理模塊、飛行管理模塊、控制執(zhí)行模塊[4],具體如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)功能模塊

4.1 任務(wù)管理模塊

信息管理子模塊,基于信息相互連通,進(jìn)行信息融合、環(huán)境感知、目標(biāo)身份、意圖識(shí)別、風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)實(shí)時(shí)全方位評(píng)價(jià);重新規(guī)劃子模塊,在預(yù)設(shè)規(guī)劃賴以存在的條件改變,或者發(fā)生沖突或者突發(fā)事件時(shí),需要針對(duì)在線任務(wù)與路徑進(jìn)行重新規(guī)劃,以確保能夠適應(yīng)實(shí)時(shí)變化的環(huán)境狀態(tài);載荷管理子模塊,面向目標(biāo)進(jìn)行搜索、跟蹤,以及傳感器管控,持續(xù)評(píng)估武器的發(fā)射條件與狀態(tài),并基于授權(quán)對(duì)其加強(qiáng)投放控制;特殊事件管理子模塊,以信息管理結(jié)果為基礎(chǔ),檢測(cè)、評(píng)估、診斷并分析處理突發(fā)事件或者為規(guī)劃事件,即突發(fā)性風(fēng)險(xiǎn)、目標(biāo)消失、新目標(biāo)衍生等等;協(xié)調(diào)管理子模塊,針對(duì)戰(zhàn)術(shù)或者戰(zhàn)略目標(biāo)進(jìn)行科學(xué)合理規(guī)劃與重規(guī)劃,并科學(xué)分配協(xié)同任務(wù),正確作出協(xié)同決策與規(guī)劃;任務(wù)鏈管理子模塊,就已經(jīng)規(guī)劃的任務(wù)進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)度管理,保障基于合適的時(shí)間地點(diǎn),順利完成相關(guān)任務(wù)。

4.2 飛行管理模塊

導(dǎo)航定位子模塊,基于平臺(tái)導(dǎo)航定位與多機(jī)協(xié)同,以相對(duì)導(dǎo)航定位與時(shí)空同步;航路點(diǎn)管理子模塊,面向任務(wù)完成、沖突消除、戰(zhàn)術(shù)激動(dòng)等具體航路點(diǎn),科學(xué)管控對(duì)其的實(shí)時(shí)規(guī)劃與跟蹤;機(jī)動(dòng)性管理子模塊,針對(duì)碰撞規(guī)避機(jī)動(dòng)、目標(biāo)偵察、攻擊等相關(guān)戰(zhàn)術(shù)機(jī)動(dòng),進(jìn)行合理規(guī)劃與優(yōu)化管理;性能管理子模塊,根據(jù)實(shí)際情況,規(guī)劃并管理平臺(tái)爬升飛行速度與垂直飛行剖面,以最大程度上滿足平臺(tái)最短時(shí)間或者最經(jīng)濟(jì)等多元性能具體要求;健康管理子模塊,就實(shí)際需要重構(gòu)平臺(tái)故障檢測(cè)、診斷、控制,并科學(xué)管理機(jī)載設(shè)備與傳感器;資源管理子模塊,全方位檢測(cè)管理平臺(tái)燃油狀態(tài),以及飛行、任務(wù)時(shí)間,重新規(guī)劃可能觸發(fā)的任務(wù)或者路徑等;協(xié)同控制子模塊,進(jìn)一步完成上層協(xié)同任務(wù)管理所明確的平臺(tái)協(xié)同、重構(gòu)控制;多模態(tài)管理子模塊,針對(duì)飛行器的具體飛行任務(wù)模態(tài),即起飛、爬升、巡航、著陸;內(nèi)部模態(tài),即動(dòng)態(tài)特性實(shí)時(shí)變化與相關(guān)故障;外部模態(tài),即基于環(huán)境與態(tài)勢(shì)改變?cè)斐傻南到y(tǒng)模態(tài)變化,進(jìn)行全方位科學(xué)管控,同時(shí)生成符合模態(tài)的飛行控制與載荷控制相關(guān)指令。

4.3 控制執(zhí)行模塊

載荷控制子模塊,基于任務(wù)載荷管理模塊的目標(biāo)搜索與跟蹤需求,對(duì)偵查傳感器進(jìn)行目標(biāo)搜索與跟蹤控制,同時(shí)就武器發(fā)射具體要求與條件,投放控制授權(quán)狀態(tài)的武器;飛行控制子模塊,面向飛行器平臺(tái)進(jìn)行速度與姿態(tài)控制,以保持順利完成任務(wù)所要求的平臺(tái)飛行實(shí)時(shí)狀態(tài)[5]。無(wú)人機(jī)自主智能飛行控制流程具體如圖5所示。

圖5 無(wú)人機(jī)自主智能飛行控制流程

5 實(shí)驗(yàn)分析

針對(duì)無(wú)人機(jī)自主智能控制系統(tǒng)的智能定位精確度與自主飛行性能,進(jìn)行系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)分析?;趯?shí)驗(yàn)條件與無(wú)人機(jī)實(shí)際使用需要,科學(xué)規(guī)劃無(wú)人機(jī)自主飛行實(shí)驗(yàn)方案,具體如圖6所示。

圖6 自主飛行控制實(shí)驗(yàn)方案

實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地則選擇寬敞無(wú)人的草坪上,遠(yuǎn)離樹(shù)木與建筑物,防止信號(hào)被遮擋,實(shí)驗(yàn)天氣則應(yīng)選擇晴朗,無(wú)風(fēng)或者微風(fēng)狀態(tài)。

在開(kāi)始實(shí)驗(yàn)之后,無(wú)人機(jī)自主起飛,并根據(jù)任務(wù)點(diǎn)規(guī)劃的順序飛行,在飛行結(jié)束之后,自主降落到起始點(diǎn)位置上,同時(shí)退出任務(wù)管理體系與自主飛行模式。其中無(wú)人機(jī)飛行時(shí)的詳細(xì)信息,即位置、姿態(tài)、速度等都會(huì)自動(dòng)儲(chǔ)存于飛行控制器存儲(chǔ)卡中[6]。

在結(jié)束實(shí)驗(yàn)之后,基于地面站程序重新播放呈現(xiàn)無(wú)人機(jī)的飛行日志,以獲取自主飛行控制真實(shí)軌跡,具體如圖7所示。

圖7 自主飛行控制真實(shí)軌跡

在實(shí)驗(yàn)中,任務(wù)管理體系基于計(jì)算機(jī),根據(jù)實(shí)驗(yàn)方案對(duì)無(wú)人機(jī)的自主起升下降進(jìn)行了有效控制,無(wú)人機(jī)實(shí)現(xiàn)了多任務(wù)點(diǎn)之間的直線飛行,全部任務(wù)都嚴(yán)格按照預(yù)設(shè)順利完成,且未發(fā)生任何異常狀況。

圖中任務(wù)點(diǎn)水平位置以經(jīng)緯度代表,空間兩點(diǎn)間的水平距離則通過(guò)公式計(jì)算[7],即:

其中,d代表水平距離,單位為m;VE、VF代表E、F點(diǎn)緯度,單位為°;WE、WF代表E、F點(diǎn)經(jīng)度,單位為°;r代表地球半徑,為常數(shù)。

基于上式對(duì)任務(wù)點(diǎn)位置與實(shí)測(cè)位置間的直線距離進(jìn)行計(jì)算分析,以評(píng)估無(wú)人機(jī)自主飛行時(shí)的水平方向定位精確度,具體實(shí)驗(yàn)結(jié)果[8]如表1所示。

表1 飛行控制實(shí)驗(yàn)結(jié)果

由表1可知,水平方向的定位誤差可控制0.14m 以內(nèi);基于無(wú)人機(jī)與地面之間的距離,與實(shí)驗(yàn)方案中的設(shè)定值之間的誤差,可以看出,無(wú)人機(jī)既可保障飛行穩(wěn)定性,又可保持飛行高度,垂直誤差可控制在0.05m以內(nèi);無(wú)人機(jī)到達(dá)任務(wù)點(diǎn)完成懸停任務(wù)時(shí),可精確保持水平位置與垂直位置。

6 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述,為適應(yīng)無(wú)人機(jī)自主控制逐層發(fā)展,本文設(shè)計(jì)了無(wú)人機(jī)自主智能控制系統(tǒng),并以無(wú)人機(jī)自主智能控制系統(tǒng)的智能定位精確度與自主飛行性能驗(yàn)證為例,進(jìn)行了系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)分析。結(jié)果表明,在實(shí)驗(yàn)中,任務(wù)管理體系可基于計(jì)算機(jī),根據(jù)實(shí)驗(yàn)方案對(duì)無(wú)人機(jī)的自主起升下降進(jìn)行了有效控制,并實(shí)現(xiàn)了多任務(wù)點(diǎn)之間的直線飛行,全部任務(wù)都嚴(yán)格按照預(yù)設(shè)順利完成,且未發(fā)生任何異常狀況;飛行時(shí),水平方向的定位誤差可控制0.14m 以內(nèi);基于無(wú)人機(jī)與地面之間的距離,與實(shí)驗(yàn)方案中的設(shè)定值之間的誤差,可以看出,無(wú)人機(jī)既可保障飛行穩(wěn)定性,又可保持飛行高度,垂直誤差可控制在0.05m以內(nèi);無(wú)人機(jī)到達(dá)任務(wù)點(diǎn)完成懸停任務(wù)時(shí),可精確保持水平位置與垂直位置。

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