探究传感器在无人机飞行控制系统中的应用

温忠亮

（哈工大机器人（岳阳）军民融合研究院，湖南 岳阳414000）

智能化机器人代替人工完成耗费人力的工作正成为各行业发展所关注的焦点，电路巡检、森林防火等领域的无人机应用便属于其中代表。为保证无人机更好服务于我国各行业发展，正是本文围绕传感器在无人机飞行控制系统中应用开展具体研究的原因所在。

1 无人机飞行控制系统中传感器的基本应用

1.1 应用思路

传感器广泛应用于多个领域，主要由转换元件及敏感元件组成，传感器可按照一定规律转换获得的信息为可用信号，并以此为相关领域提供数据信息支持。在无人机飞行控制系统中，传感器的应用可较好服务于系统的完善和改进，而结合无人机飞行控制系统的实际需要，可通过多种传感器的合理应用，整合分析多种传感器收集的任务信息，以此构建传感器网络，最大化的传感器作用发挥可由此实现。在传感器支持下，无人机飞行控制系统可充分发挥传感器参数可调性优势，不同种类无人机飞行控制系统的需要也能够得到满足，相关任务的顺利完成自然能够获得有力支持。在无人机飞行控制系统的传感器具体应用中，必须充分了解传感器的优势，并结合系统的功能要求和实际运行需求，这样才能够更高水平的应用传感器[1]。

1.2 基本应用

1.2.1 合理设计传感器参数。无人机飞行控制系统中的传感器应用极为广泛，系统的运行效率提升可得到传感器的大力支持，而为了较好满足系统实际运行需要，最大化传感器作用发挥，传感器参数的合理设计必须得到重视。在传感器参数设计过程中，可将其参数细分为静态参数和动态参数，如动态参数设计需以阶跃响应、频率响应为依据，传感器的分辨率参数也需要得到合理控制，传感器运行的稳定性可由此得到保障。而在静态参数的设计中，重复性、线性度、灵敏度等参数的设计不容忽视，具体设计需结合无人机飞行控制要求[2]。

1.2.2 机载传感器网络优化。在无人机飞行控制系统中，传感器的应用还需要关注应用环节的严格控制，以此通过持续性的改进和优化，提高系统运行的可靠性和安全性。作为无人机飞行控制系统的重要组成部分，传感器网络搭载有各类传感器，因此可以将其视作不同类型传感器的总称。在无人机获取相关数据和信息时，一般需要返回基底查看相关资料和信息，这一过程中的信息及数据安全性必须得到重视。基于各类传感器构建传感器网络，实时的信息数据传输、获取即可顺利实现，信息数据信息也能够更为快速的向监测中心传输，数据信息传输效率及安全性均可大幅提升。因此，本文认为无人机飞行控制系统中的机载传感器网络属于核心层，为最大化传感器网络作用发挥，持续性的优化和改进必须得到重视，如优化系统整体布局、调整线路方式，系统整体运行效率可由此实现长足提升。

1.2.3 应用精确导航控制技术。作为传感器衍生的技术，精确导航控制技术同样可较好服务于无人机飞行控制系统升级和改造，通过融合多个传感器的信息，精确导航控制技术可实现精准导航。现阶段无人机在我国多个领域有着较为深入的影响，无人机所需要完成的工作量也在不断提升，为保证无人机能够实现相关任务的快速准确完成，必须设法改进和完善其精准导航系统，配合不同特性的平台和传感器，即可为无人机执行任务提供辅助，这一过程中多个传感器信息的融合发挥着极为关键的作用。在基于精确导航控制技术的无人机飞行控制系统优化中，传感器作用的充分发挥属于其中关键，系统需同时具备有效融合导航信息的能力，并以此实现精准位置、速度等导航信息的提供，配合较强的信息接收和处理能力，无人机即可更好在飞行过程中完成各类信息的收集和处理，传感器的作用也能够更好发挥[3]。

2 实例分析

2.1 系统总体设计

为提升研究的实践价值，以一种基于STM32F103 单片机平台与多传感器的无人机自动控制系统作为研究对象，无人机工作的流畅性可通过较高的运算速度得到保障，系统不仅能够保证无人机安全飞行，且在初次起飞指令后会，无人机会预留一段安全时间，意外事件的发生几率可得到有效控制。无人机飞行控制系统采用Pixhawk，系统控制板为STM32F103，由此即可实现遥控器信号的模拟，在控制成本的前提下实现飞控指令的下达，脱离遥控器独立工作的无人机可由此实现，传感器布置于采集板，以此构建传感器组，结合飞控传感器，即可将向控制板共同反馈采集到的数据，控制板由此即可向飞控板发出指令，这一过程需模拟遥控器，全称的无人机自动控制可由此实现。整个系统由采集层、控制层、无人机控制层三个层级组成。

2.2 硬件设计

系统采用的飞控板属于具备高性能且较为普及的自动驾驶仪，即Pixhawk，可较好服务于固定翼无人机、多旋翼无人机等平台，APM 为其前身，不同于APM 无法满足复杂的运算需求，Pixhawk 在继承多线程编程环境的同时，还能够通过PX4 底层驱动，为全周期处理提供保障，新的预设飞行模式及自动驾驶仪功能均可由此实现，系统可由此较好满足无人机高自由度飞行需要；系统对无人机运行状态的检测通过控制板实现，传感器的反馈可由此接收，遥控器的模拟及相关指令的发出也能够由此实现，无人机运用的控制可基于飞控板实现，基于STM32 实现遥控器起飞、着陆、悬停等各种指令信号的模拟属于其中关键，无人机字啊无指令控制时会安全着落，机体安全保障需要可由此得到满足。在完成构筑控制板基础功能后，更多传感器的添加可顺利实现，系统可支持多样化的无人机功能，更加复杂的任务执行也能够由此获得支持。由于系统用单片机预留的接口较多，因此其拓展性天然较高，可实现更为丰富的模块搭载；在多传感器模块的设计中，该模块主要负责服务于无人机在合适高度的作业实现，属于无人机自主工作的基础，模块流程可概括为：“开始→超声波发生声波→定时器计时→接收到声波→定时器停止计时并计算距离→0.5～1.5m？→是→发出光信号→结束”。采用bmp085 气压传感器作为定高模块硬件，由此实时海拔高度的转换可基于测量获得的大气压实现，无人机距离地面的高度可通过计算确定，无人机实时高度的测量采用HC-SR04 超声波传感器，两种传感器可通过配合较好服务于更加精准的无人机控制。

2.3 软件设计

为保证传感器更好服务于无人机飞行控制器，本文研究的无人机自动控制系统在软件设计中同样投入了大量精力。在控制板操作模块设计中，控制板基于模拟遥控器信号的方式实现控制，无人机的工作流程开始需通过操控者的按键控制，收到信号后的无人机会进入启动流程，无人机自检并解锁启动会在3s 安全时间后开始，由此操作人员的撤离可得到保障；而在无人机基本姿态控制的设计中，设计需围绕自动启动、自动降落展开，自动启动可实现无人机的远程解锁与控制，自动降落可实现无人机的自动着陆并锁定，这一系列功能的实现均离不开传感器的支持。

2.4 实验分析

为证明无人机飞行控制系统实用性，需开展针对性实验，考虑到该系统主要用于室内小型无人机，因此实验于4m×4m×2m的室内实验场地开展，以此判断系统的稳定性和易用性。结合实验结果可以确定，无人机在完成既定任务过程中，系统可实现对其的全程稳定控制，具备成本低、易用性强等优势，相较于人工操作，无人机飞行控制系统的稳定性更高，且能够有效实现人力成本的节约，但该系统进能够用于室内应用，无法满足室外环境控制需要，这一不足的改进必须得到重视。

综上所述，传感器在无人机飞行控制系统中的应用需关注多方面因素影响。在此基础上，本文涉及的机载传感器网络优化、应用精确导航控制技术、硬件设计等内容，则提供了可行性较高的传感器应用路径。为更好服务于无人机飞行控制，MEMS 传感器的合理应用必须得到重点关注。