梳理完控制以及航行力學的一些基本原理之後就該正式進入無人機導航制導與控制的討論了導航制導與控制是無人機系統中最龐大的分系統其功效可以有多種劃分方式本文中我們就以下面框圖所示的劃分方式為例對無人機導航制導與控制系統的基本原理和常用方式做一下先容和歸納,孔雀竹芋擺放位置風水圖(適合在衛浴里擺放的陰生植物)
,由於GPS室內定位甚至自動駕駛在生涯中的普遍應用導航制導控制這幾個詞也越來越為民眾所熟悉和使用然則對於這些詞的界說我們一樣平常生涯中的使用和明白方式可能與無人機語境有所差異以是有需要對其在本系列文章中的寄義做一下註釋,導航即無人機獲得自己當前在某個參照系下的位置速率等信息需要時還需要獲適合前相對於某個參照系的姿態姿態角速率等信息例如接納純慣性導航可以獲得無人機在某個慣性系下的位置速率和加速率以及相對於該慣性系的姿態角和角速率GPS導航系統則可以提供無人機在WGS84坐標系下的速率位置和航向角等信息而藉助如ViconUWB等室內定位系統則可以獲得無人機相對於室內某個坐標系的速率位置等信息因此簡要歸納綜合導航的主要事情就是要知道自己在哪知道自己的姿態,制導即無人機發現或外部輸入目的的位置速率等信息並憑證自己的位置速率以及內部性能和外部環境的約束條件獲得抵達目的所需的位置或速率指令例如根據設計的航路點航行時盤算無人機徑直或者沿某個航線飛抵航路點的指令接納基於盤算機視覺目的跟蹤的光學制導時憑證目的在視場中的位置以及攝像頭可能存在的離軸角盤算跟蹤目的所需的過載或者姿態角速率指令而當預裝或SLAM獲得的輿圖中存在需要規避的障礙物或禁飛區時憑證無人機航行性能盤算可行的規避蹊徑或者速率指令因此簡要歸納綜合制導的主要事情就是要知道目的在哪若何抵達目的,控制即無人機憑證當前的速率姿態等信息通過執行機構作用來改變姿態速率等參數進而實現穩固航行或跟蹤制導指令例如當牢靠翼無人機需要爬升高度時盤算需要的俯仰角和俯仰角速率指令以及為了讓空速不至於大幅降低所需的油門指令當沿着航線航行然則存在側風時盤算所需的偏航角指令以行使側滑抵消側風影響或者當多旋翼無人機的某個旋翼失效時盤算若作甚剩餘旋翼分配指令以盡可能實現穩固航行因此簡要歸納綜合控制的主要事情就是改變航行姿態跟蹤制導指令,雖然理論上導航制導和控制這三者各司其職只是在指令盤算和執行上有順承關係然則在現實系統中三者可能會有許多交織因素例如導航系統中所丈量或估量出的角速率既要用於導航系統的速率和位置估量又要用於姿態控制而在一些高靈活性的航行器如直接碰撞殺傷的動能阻擋器等和空天航行器如升力體再入返回的制導控制上也有制導與控制一體化設計的趨勢但在本文中仍然憑證無人機的固有特徵只管將三者作為具有自力功效的分系統看待其中導航系統原理可以大致分為以下幾個類型,基於絕對參考系的導航如慣性導航磁羅盤導航等慣性導航運用牛頓力學原理通過構建一個與機體固聯的慣性平台從而憑證加速率計丈量的慣性加速率盤算在某慣性參考系下的速率和位置憑證陀螺儀丈量所得的角速率盤算機體相對於慣性平台的姿態角從而只需要加速率計和陀螺儀知足一定的精度要求就可以在不需要外部信息的情形下獲得機體相對於慣性參考系的速率位置和姿態角之以是將與機體固聯的移動參照系成為慣性平台是由於早期的平台式慣性導航裝備中確實存在一個物理上的框架該框架基於陀螺進動原理始終與慣性系或當地鉛錘坐標系保持平行高精度的平台慣導系統可以耐久不需要外部信息舉行導航例若有些核潛艇所裝備的慣導系統可以保證水下航行數月的導航誤差在數海里的量級,
,雖然平台慣導的精度很高然則由於系統龐大且體積偉大未便於在小型航行器上裝備隨着盤算機手藝和導航器件手藝的生長捷聯慣導越來越多地被使用與平台慣導所用的物理平台差異捷聯慣導的陀螺儀和加速率計都與機體固連因此接納虛擬的數學慣性平台即慣性器件丈量所得數據都市經由坐標變換的數學運算轉換到慣性坐標系下由於去掉了物理平台捷聯慣導系統的體積大幅縮減稀奇是近二十年來快速生長的MEMS微機電系統器件已經可以將捷聯慣導系統的體積縮小到幾立方厘米的量級,
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,固然慣性導航並非完善由於導航歷程依賴慣性器件的輸出數據坐標變換以及數值積分以是器件誤差和數值盤算的截斷誤差會不停累積在缺乏分外的相對於絕對坐標系的信息時該誤差無法被修正因此慣導系統通常作為航行器的主要導航系統但同時還需要其他導航信息對慣導效果舉行修正,險些其他所有導航方式都可以用於修正慣導系統誤差甚至是慣導系統自己如AHRS航姿參考系統這種系統除了接納陀螺儀積分得出姿態角還能憑證加速率計丈量的重力偏向以及磁羅盤丈量的磁航向對姿態角效果舉行修正從而在陀螺儀精度不高的情形下獲得耐久穩固的姿態角輸出不外由於低精度器件所得的姿態角效果短期和耐久均有差異水平的誤差該系統無法舉行準確的航位推算,基於距離丈量的導航如衛星導航室內定位等這類導航方式一樣平常是通過丈量航行器與已知準確位置的參考點之間的距離從而解算出航行器位置例如衛星導航系統就是通過吸收多顆衛星發射出來的星曆信息從中得出時間差並憑證光速盤算出距離從而解算出航行器在WGS84坐標系下的位置和經緯高度信息同樣接納類似方式的另有室內定位應用中很火的WIFI定位和UWB定位手藝均是行使信號強度或發送吸收的時間差盤算航行器與各參考點之間的距離從而解算航行器實時位置,
,基於特徵匹配的導航如地形匹配運動捕捉系統等這類導航方式通常是通過航行器實時提取地磁地貌圖像等特徵並與特徵庫舉行比對或舉行響應盤算從而獲得航行器位置速率等信息實現導航功效如巡航導彈中所使用的地形匹配方式和現在對照火的SAR合成孔徑雷達地貌匹配方式都是通過提取航行路徑上的一維或二維地形地貌信息並與数字高程輿圖庫舉行比對從而獲知當前位置速率等信息這在衛星導航信號丟失時的耐久導航具有主要意義運用盤算機視覺手藝通過識別已知位置上的符號物特徵完成位置速率估量的方式也歸屬此類另有另一類導航方式就是類似於Vicon的運動捕捉系統這種系統則是通過已知位置的光學等傳感器識別航行器上設置的符號物從而解算出航行器實時位置速率,而既然說到基於特徵就不得不關注盤算機視覺在導航中的應用例如在消費級無人機上運用多年的希罕光流算法就是憑證灰度圖像中特徵點的運動盤算出無人機的運動速率近年來火爆的SLAM則更是將盤算機視覺施展到極致這種算法通過將運動中實時採集的圖像特徵性信息與慣導等系統信息舉行融合從而可以在未知環境中一邊完成周圍場景的三維模子重修一邊舉行自身在場景中相對位置和速率的解算,
,說回無人機的導航當前多數無人機接納慣導衛星導航組互助為基本的導航方式可以保證絕大多數場景下的穩固導航大型軍用無人機由於對導航系統的輕量化和成本要求不高為了實現較高的導航精度其通常仍接納光纖激光陀螺和石英加速率計組成的高精度慣導系統而中小型和民用無人機則接納更輕小更廉價然則精度較低的MEMS器件組成慣導或航姿參考系統與衛星導航組合后仍能提供有用的導航信息輸出,而在某些特殊應用場景下衛星導航信號會丟失如微型無人機在室內和都會樓群之間航行這時就需要其他的導航方式舉行輔助常用的好比氣壓計的使用就可以以較低的綜合成本獲得低精度的海拔高度誤差100米量級和較高精度的相對高度信息誤差01米量級無人機在室內航行時可以架設前文提到的WIFIUWB或Vicon等需要龐大外部裝備的室內定位系統或者外部設置已知位置的符號物通過無人機的視覺系統完成識別和自身定位而在極為特殊的場景下如種種高危未知環境的勘察使得常用輔助導航系統都難以使用時就不得不祭出SLAM這一殺手鐧了SLAM手藝正處於高速生長中且已經有多種適用的方案泛起了完善的SLAM系統可以完成科幻影戲里那种放出去幾駕微型無人機自由航行配合一個便攜地面站便可以實時地重修周圍環境的3D模子這種性能在未來五年之內一定可以實現固然絕大多數輔助的導航方式都難以輸出用於制導控制的高頻率200Hz以上導航信息因此通常情形下仍是將輔助導航系統與慣性導航相連繫,下面來討論無人機的制導現階段大多數軍用照樣民用無人機在自動航行歷程中僅需完成航路點或航線的跟蹤因此制導戰略相對簡樸多旋翼無人機跟蹤航路點時只需要將航行速率偏向瞄準下一個航路點跟蹤航線也僅需首先飛到航線上距離當前位置最近的點即可而這項義務對於牢靠翼無人機相對龐大由於牢靠翼無人機的速率偏向需要通過航向來改變而航向則需要通過滾轉來改變這就使得滾轉角與速率偏向之間形成了近似二階環節的歷程這通常可以運用導彈的比例導引法來實現航路點跟蹤比例導引法的基本原理就是讓航行器速率矢量在空間中的轉動角速率正比於航行器與目的間的視線角轉變率對於航路點這一靜止目的只需要無人機與航路點之間的距離足夠就可以保證準確抵達下一個航路點而對於航線跟蹤則需要選擇一個虛擬的目的點使得無人機首先向航線靠近然後再逐步將偏向瞄準航線偏向例如現在被普遍使用的L1制導算法就是在航線上選擇與無人機距離為L1的參考點然後憑證速率偏向與到參考點連線偏向之間的夾角盤算橫向靈活的需用過載進而實現航線跟蹤,
,而隨着無人機在多種場景下應用的不停深入除了航路點和航線的跟蹤以外無人機抵達目的的最優路徑選擇障礙物或禁飛區規避以及多機協同事情所需要的制導戰略越來越龐大我們知道最優控制方式在航天器軌道轉移火箭入軌制導等問題中起到了優越的效果然則對於大氣中航行的無人機路徑設計基於間接法的最優控制問題很難求解因此無人機路徑設計往往接納基於網格輿圖的搜索算法或者蟻群算法遺傳算法等特殊的路徑優化方式則如在基於概率輿圖的搜索算法中首先運用隨機概率方式在自由空間義務空間中除去障礙物后的空間中選取採樣點並選取距離當前點最近的k個點組成當前點的相近點集然後行使局部設計器將當前點與其相近點集中的所有點用直線段毗鄰起來同時舉行相交磨練將不與障礙物相交的直線段保留下來組成一個圖作為初始路徑完成路徑設計的學習階段在查詢階段運用優化方式對上述圖舉行搜索從而獲得由圖的邊組成的從起點到目的點並知足優化目的的路徑,另一類常用的算法並不是基於網格輿圖舉行搜索例如人工勢場法其基本頭腦是將無人機的運動設計成一種在抽象的人造引力場中的運動如下圖所示目的物對無人機發生引力而障礙物對無人機發生斥力通過求解目的和所有障礙物對無人機發生的協力就可以獲得無人機運動速率或加速率指令相對於大多數搜索算法人工勢場法運算量更小且獲得的軌跡更平滑,
,以上這兩類制導算法通常適用於一架無人機的航路跟蹤或路徑設計而當設計無人機編隊甚至集群時問題龐洪水平則驟增對於集群中的某個無人機來說其他無人機既是可以協作和互通訊息的同隨同時又是快速移動的障礙物而整個集群的路徑設計有需要思量集群以及其中每一架無人機特徵所形成的約束條件或者當集群處於協同作戰模式時又需要對目的自覺形成各角度的全向飽和攻擊固然這其中需要解決的問題正是當前研究的熱門,最後再討論一下無人機的控制導航系統獲得了無人機當前位置速率和姿態信息制導系統完成路徑設計和制導指令天生而控制的義務就是準確快速穩固地跟蹤收到的制導指令因此控制也是最要害的環節最常用的控制算法照樣耐久彌新的PID通過將被控參數參考值與當前值誤差的比例積分和微分舉行適當組合便能夠完成大部門近似線性系統的有用控制,
,而事實上現在工程中所使用的許多PID算法早已經不是基本的構型了常用的改善方式主要有以下幾種,增益調劑既然PID控制器設計歷程一樣平常是在某個平衡點處做系統的小擾動線性化方程平心而論工程中還真不都是這麼按流程來種種野路子都有進而完成設計的那麼只要在正常事情局限對於無人機來說可以是航行包線內選取足夠的平衡點並憑證每個平衡點的模子選擇合適的PID控制參數這樣就可以在控制器事情中通過插值等方式選擇響應平衡點周圍的控制參數這種變參數的方式就是一種增益調劑方式而基於增益調劑的PID控制器就可以針對具有一定非線性特徵的系統舉行控制這種方式在航行控制中已應用多年,參數自順應好比以系統積分誤差性能指標為準則搜索使得誤差性能指標為最小的參數作為控制器參數又或者基於神經網絡和遺傳算法的參數自順應等不外這些方式在工程中使用的對照少,串級通過將被控系統分為內外環只需要內外環的固有頻率有一定的差異好比說內環頻率是外環的五倍以上無人機的姿態響應和位置響應一樣平常可以知足即可用實現快變量和慢變量的劃分控制通過簡樸的調參就可以實現快速的內環響應和準確的外環控制並具有比單個控制器更好的抗滋擾性能,積分抗飽和PID控制中的積分作用雖然可用消除穩態誤差然則積分退飽和歷程帶來的超調往往較大因此可用在被控參數的誤差較大時住手誤差的積分歷程或者對誤差的積分值舉行限幅這樣就可以顯著地降低超調量縮短歷程的穩固時間,不完全微分雖然被控參數一樣平常不會泛起突變然則參考值卻經常會泛起突變這使得誤差的微分也會突變為了降低這種突變造成的控制量幅值可以接納不完全微分戰略即微分只作用於被控參數如航行控制中的角速率阻尼,PID算法的改善方式另有許多災以細數不外這種改善終歸難以解決所有問題例如被控工具的高度非線性強耦合性時變性等特徵因此新的控制方式層出不窮下面枚舉幾種較為適用的其他控制方式,反饋線性化行使數學變換的方式和微分幾何學的知識將狀態和控制變量轉變為線性形式然後行使通例的線性設計的方式舉行設計將設計的效果通過反變換轉換為原始的狀態和控制形式反饋線性化可以將存在通道間耦合的非線性系統變換為解耦的線性系統利便外環的線性控制器設計不外該方式應用中或多或少會存在建模誤差因此設計時要重點思量魯棒性的因素,滑模變結構這種方式不需要對被控工具舉行準確建模而是在動態歷程中憑證系統當前的狀態如誤差及其各階導數等有目的地不停轉變迫使系統根據預定滑動模態的狀態軌跡運動由於滑動模態可以舉行設計且與工具參數及擾動無關這就使得滑模控制具有快速響應對應參數轉變及擾動不迅速無需系統在線辨識物理實現簡樸等優點然則基本的滑模變結構算法存在控制參數抖振的問題需要再趨近率設計時舉行適當的優化戰略,反步控制其基本思緒是將龐大的系統剖析成不跨越系統階數的多個子系統然後通過反向遞推為每個子系統設計部門李雅普諾夫函數和中央虛擬控制量直至設計完成整個控制器反步方式運用于飛控系統控制器的設計可以處置一類非線性不確定性因素的影響而且已經被證實具有對照好穩固性及誤差的收斂性,自順應逆與動態逆的頭腦類似這種方式運用種種自順應逆濾波網絡如LMS濾波器網絡神經網絡等去擬合出被控工具的逆系統從而將控制器與被控工具組成的前向通道變換成逐一映射的線性化解耦系統而之以是稱為自順應則是這個擬合出逆系統的網絡可以在線學習被控工具的特徵這種方式在仿真中可以取得比傳統控制方式優越許多的效果然則由於濾波器網絡可能存在無法檢出的內部缺陷以是在某些狀態組合下可能會泛起故障包羅深度神經網絡在內的所有神經網絡都潛在此風險,本文簡要梳理了可用於無人機的導航制導和控制的方式戰略或算法其中部門算法將在後續的仿真系統響應的文章詳細先容並在代碼中體現,
鏡子不用怎麼處理不影響風水(家裡這幾處地方別亂掛鏡子)