關(guān)鍵詞：無(wú)人機(jī)；軌跡跟蹤系統(tǒng)；北斗通信

中圖分類(lèi)號(hào)：TP273；TN99；V249.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

0 引言

無(wú)人機(jī)在大多數(shù)場(chǎng)合都需要沿期望軌跡連續(xù)、準(zhǔn)確地飛行，但傳統(tǒng)的控制方法很難達(dá)到這種效果，因此自動(dòng)準(zhǔn)確地跟蹤和管理飛行軌跡的能力是無(wú)人機(jī)的必備技能。由于無(wú)人機(jī)具有非線(xiàn)性、前驅(qū)動(dòng)、強(qiáng)耦合等特性，傳統(tǒng)的控制方法難以實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)[1]。北斗通信系統(tǒng)由空間段、陸地段和用戶(hù)段組成，為全球用戶(hù)提供定位和導(dǎo)航服務(wù)，具有高精度傳輸和通信能力。為了有效應(yīng)對(duì)外部環(huán)境擾動(dòng)和自參數(shù)不確定性對(duì)無(wú)人機(jī)的影響，本文設(shè)計(jì)了基于北斗的新型無(wú)人機(jī)運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤系統(tǒng)。

1 基于北斗通信技術(shù)的協(xié)議格式定義

1.1 業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)報(bào)文

業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)報(bào)文即無(wú)人機(jī)軌跡數(shù)據(jù)協(xié)調(diào)報(bào)告。在北斗通信中，由于相鄰節(jié)點(diǎn)距離小，數(shù)據(jù)包的收集面臨一定的挑戰(zhàn)。在實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景中，為確保系統(tǒng)運(yùn)行順暢與準(zhǔn)確，北斗短報(bào)文設(shè)備與軌跡控制主機(jī)的配置數(shù)量需保持一致。無(wú)人機(jī)路線(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸單一，僅由數(shù)據(jù)庫(kù)主機(jī)對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)，因此存儲(chǔ)過(guò)程必須遵循業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)報(bào)文規(guī)范。

1.2 運(yùn)維報(bào)文

在無(wú)人機(jī)軌跡跟蹤控制系統(tǒng)的構(gòu)建與運(yùn)作過(guò)程中，運(yùn)維報(bào)文作為該系統(tǒng)的核心要素，對(duì)保障系統(tǒng)通信數(shù)據(jù)的傳輸能力具有至關(guān)重要的作用。在明確既定數(shù)據(jù)消息傳輸起始點(diǎn)與終止點(diǎn)的前提下，運(yùn)維報(bào)告中的數(shù)據(jù)參數(shù)數(shù)量與其對(duì)實(shí)時(shí)傳輸通信信息能力的強(qiáng)化效果，呈現(xiàn)顯著的正相關(guān)關(guān)系。初始通信位置決定了操作參數(shù)和維護(hù)報(bào)告的最低規(guī)范條件[2]。在北斗通信技術(shù)的支持下，每架無(wú)人機(jī)運(yùn)行軌跡的起始點(diǎn)均被嚴(yán)格設(shè)定為傳輸運(yùn)維報(bào)告的首要基準(zhǔn)坐標(biāo)。此外，關(guān)于傳輸終止位置的確定，信息報(bào)文的最終傳輸點(diǎn)成為劃定運(yùn)維報(bào)文數(shù)據(jù)參量最大限定條件的關(guān)鍵參照點(diǎn)。這得益于北斗通信技術(shù)的精準(zhǔn)應(yīng)用，工作人員能夠精確識(shí)別并標(biāo)記無(wú)人機(jī)軌跡中每日的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，進(jìn)而將其設(shè)定為運(yùn)維報(bào)文傳輸?shù)慕K止位置。

1.3 通知協(xié)商報(bào)文

通知協(xié)商報(bào)文是明確闡述無(wú)人機(jī)控制系統(tǒng)與運(yùn)動(dòng)終端之間所采用的身份協(xié)商通信協(xié)議。經(jīng)過(guò)對(duì)比與分析，相較于運(yùn)維報(bào)文，通知協(xié)商報(bào)文在集成北斗通信能力方面展現(xiàn)出更為卓越的性能。通知協(xié)商報(bào)文利用加密技術(shù)處理飛行軌跡數(shù)據(jù)，恢復(fù)主機(jī)中控關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，并基于北斗通信節(jié)點(diǎn)，實(shí)時(shí)確定飛行路徑數(shù)據(jù)傳輸位置。表1 為報(bào)文協(xié)議格式對(duì)比。

2 無(wú)人機(jī)運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤系統(tǒng)模型設(shè)計(jì)

2.1 無(wú)人機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本文設(shè)計(jì)的無(wú)人機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中，電機(jī)為螺旋槳提供驅(qū)動(dòng)力，確保其高速旋轉(zhuǎn)。電源被激活后，狀態(tài)指示燈持續(xù)亮燈，相機(jī)記錄無(wú)人機(jī)運(yùn)動(dòng)軌跡，并通過(guò)北斗通信將軌跡信息實(shí)時(shí)傳輸至控制系統(tǒng)。當(dāng)電機(jī)供電效能減弱時(shí)，螺旋槳自動(dòng)調(diào)節(jié)適配電池剩余能量。天線(xiàn)接收并識(shí)別北斗通信數(shù)據(jù)，并且傳遞至Micro 主機(jī)。槳葉保護(hù)罩負(fù)責(zé)保護(hù)螺旋槳且提供支撐。開(kāi)源控制器用于確立無(wú)人機(jī)運(yùn)動(dòng)擴(kuò)展模塊與控制系統(tǒng)的通信機(jī)制。北斗通信節(jié)點(diǎn)布局影響無(wú)人機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)間的連接與交互。

3 系統(tǒng)主控結(jié)構(gòu)

無(wú)人機(jī)運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤控制系統(tǒng)架構(gòu)如圖1 所示。

3.1 全驅(qū)運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)

在無(wú)人機(jī)運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤系統(tǒng)中，動(dòng)力信號(hào)控制器是關(guān)鍵。全驅(qū)運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)可以根據(jù)節(jié)點(diǎn)模式實(shí)時(shí)調(diào)整軌跡并預(yù)測(cè)路徑，將數(shù)據(jù)文件安全傳送至控制中心，制定操作指令并監(jiān)控飛行路徑[3]。采用LANC2與SGF65C 芯片負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)調(diào)試，PG863J 芯片則主要負(fù)責(zé)調(diào)節(jié)系統(tǒng)控制主機(jī)與無(wú)人機(jī)運(yùn)動(dòng)軌跡節(jié)點(diǎn)之間的跟蹤匹配關(guān)系。RL611 與Pr4 ～ Pr7 設(shè)備確保穩(wěn)定連接，動(dòng)態(tài)確定節(jié)點(diǎn)狀態(tài)，保障安全飛行。

3.2 自適應(yīng)控制器

自適應(yīng)控制器以控制芯片為主要應(yīng)用結(jié)構(gòu)，其可以錄入無(wú)人機(jī)速度、軌跡節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)、通信數(shù)據(jù)參數(shù)等數(shù)據(jù)，對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行精確處理并生成可執(zhí)行命令文件。關(guān)鍵數(shù)據(jù)參數(shù)將直接存儲(chǔ)于系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)主機(jī)[4]。如圖2 所示，主供應(yīng)電路負(fù)責(zé)生成信號(hào)并傳輸至控制芯片，經(jīng)由變換器生成穩(wěn)定電流通信信號(hào)。核心信號(hào)參數(shù)集成至控制芯片，創(chuàng)建了標(biāo)準(zhǔn)化輸出文件，實(shí)現(xiàn)了北斗通信主機(jī)穩(wěn)定操作和功能恢復(fù)。關(guān)鍵參數(shù)需嚴(yán)格滿(mǎn)足北斗通信技術(shù)要求，確保無(wú)人機(jī)運(yùn)動(dòng)軌跡的精準(zhǔn)跟蹤控制。

3.3 姿態(tài)調(diào)節(jié)器

姿態(tài)調(diào)節(jié)器已全面融入無(wú)人機(jī)運(yùn)動(dòng)軌跡監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的重要子模塊中。這些子模塊肩負(fù)精確記錄無(wú)人機(jī)運(yùn)動(dòng)行為的重任，并通過(guò)核心控制主機(jī)的深入分析，詳細(xì)考察飛行路徑上通信節(jié)點(diǎn)的布局。為確保通信的穩(wěn)定性和可靠性，構(gòu)建控制系統(tǒng)組件與控制主機(jī)之間的通信機(jī)制，必須嚴(yán)格遵循北斗通信技術(shù)的核心準(zhǔn)則。此外，在無(wú)人機(jī)飛行軌跡監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，姿態(tài)調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)的切換行為始終受到輸入電路核心部件精準(zhǔn)、嚴(yán)密的監(jiān)控與控制，以確保無(wú)人機(jī)飛行的穩(wěn)定性和安全性。

無(wú)人機(jī)通信節(jié)點(diǎn)的早期存儲(chǔ)工作也需遵循相關(guān)規(guī)范，確保系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行和數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性，使控制主機(jī)可以充分利用運(yùn)動(dòng)柜機(jī)。目前，該控制系統(tǒng)制定的運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤指令能夠較好地滿(mǎn)足實(shí)際應(yīng)用的要求。

3.4 軌跡追蹤器

軌跡追蹤器負(fù)責(zé)記錄無(wú)人機(jī)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)通信節(jié)點(diǎn)重排。基于北斗通信技術(shù)，系統(tǒng)主機(jī)能夠直接記錄追蹤器數(shù)據(jù)，確保軌跡節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確[5]。通過(guò)調(diào)整軟硬件條件，實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤控制系統(tǒng)的順利運(yùn)行。

4 系統(tǒng)仿真分析

在無(wú)人機(jī)的飛行軌跡中，滾轉(zhuǎn)角、俯仰角和偏航角是3 個(gè)不同的觀測(cè)角度。如果通過(guò)控制主機(jī)獲得的3 個(gè)觀測(cè)角度的監(jiān)測(cè)結(jié)果與無(wú)人機(jī)的實(shí)際軌跡一致，則能夠判定控制主機(jī)可以對(duì)無(wú)人機(jī)的運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行準(zhǔn)確的監(jiān)測(cè)和控制；如果從任何一個(gè)觀測(cè)角度觀察到的結(jié)果與無(wú)人機(jī)的軌跡之間存在顯著差異，則判定控制主機(jī)無(wú)法準(zhǔn)確跟蹤和控制無(wú)人機(jī)的整個(gè)行進(jìn)軌跡。通過(guò)運(yùn)用基于北斗通信技術(shù)的無(wú)人機(jī)運(yùn)動(dòng)軌跡追蹤控制系統(tǒng)，對(duì)中控主機(jī)實(shí)施干預(yù)，作為實(shí)驗(yàn)組；采用基于自適應(yīng)積分反步法的應(yīng)用系統(tǒng)，對(duì)中控主機(jī)實(shí)施干預(yù)，作為對(duì)照組。

4.1 滾轉(zhuǎn)角跟蹤結(jié)果分析

滾轉(zhuǎn)角跟蹤結(jié)果的初始坐標(biāo)設(shè)定為（0，554），在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，實(shí)驗(yàn)組無(wú)人機(jī)的運(yùn)動(dòng)軌跡與實(shí)際飛行軌跡保持了高度的一致性；對(duì)照組無(wú)人機(jī)的運(yùn)動(dòng)軌跡在橫縱坐標(biāo)上顯示出持續(xù)的波動(dòng)，其整體變化趨勢(shì)與實(shí)際飛行軌跡不符，且兩種軌跡之間存在顯著差異。

4.2 俯仰角跟蹤結(jié)果分析

俯仰角跟蹤從（0，0）開(kāi)始。實(shí)驗(yàn)組無(wú)人機(jī)運(yùn)動(dòng)軌跡與實(shí)際軌跡吻合，追蹤性能良好；對(duì)照組無(wú)人機(jī)運(yùn)動(dòng)軌跡波動(dòng)顯著，與實(shí)際軌跡的差異較為明顯。

4.3 偏航角跟蹤結(jié)果分析

偏航角跟蹤結(jié)果的初始坐標(biāo)設(shè)定為（0，263），在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，實(shí)驗(yàn)組無(wú)人機(jī)的運(yùn)動(dòng)軌跡與實(shí)際運(yùn)動(dòng)軌跡保持了良好的一致性；當(dāng)橫坐標(biāo)數(shù)值為100 ～ 300 時(shí)，對(duì)照組無(wú)人機(jī)的實(shí)際運(yùn)動(dòng)軌跡與預(yù)期軌跡相吻合，但是從整體視角來(lái)看，相較于實(shí)驗(yàn)組，對(duì)照組與實(shí)際軌跡的吻合程度較差。

5 結(jié)論

綜上，本文研究了無(wú)人機(jī)運(yùn)動(dòng)軌跡控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，針對(duì)無(wú)人機(jī)非線(xiàn)性、強(qiáng)耦合等特點(diǎn)，提出了一種基于北斗通信技術(shù)的無(wú)人機(jī)運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤控制方法，定義了協(xié)議文件連接形式，構(gòu)建了無(wú)人機(jī)動(dòng)力學(xué)模型。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該控制系統(tǒng)運(yùn)行良好，控制主機(jī)具有很強(qiáng)的實(shí)用性，支持通過(guò)主機(jī)組件對(duì)無(wú)人機(jī)的整條行進(jìn)軌跡進(jìn)行準(zhǔn)確追蹤與控制。