邵丹陽　張黎　劉丹　張海昕

【摘 要】隨著人工智能的不斷發(fā)展，越來越多的領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了無人化操作，例如，無人化工廠、自動駕駛汽車以及無人機?，F(xiàn)有的人工智能技術(shù)通常廣泛應(yīng)用于計算機領(lǐng)域，盡管在工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域也有實現(xiàn)了相關(guān)的應(yīng)用，但僅僅局限于人工干涉下的自主控制，無法真正實現(xiàn)機器的自主控制。在無人機控制領(lǐng)域，對控制系統(tǒng)的自主控制和穩(wěn)定性要求極為嚴(yán)格，因此，對無人機的控制系統(tǒng)中的控制等級劃分與控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計是困擾科研人員的一個棘手的問題。本文針對無人機控制系統(tǒng)的控制等級劃分和控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計進(jìn)行了深入研究，并提出了相應(yīng)的方法和策略，對未來無人機控制領(lǐng)域的研究具有一定的指導(dǎo)意義。

【關(guān)鍵詞】無人機；自主控制；等級；系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

中圖分類號： V249.1 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 2095-2457（2018）08-0085-002

【Abstract】With the continuous development of artificial intelligence， more and more fields have achieved unmanned operations， such as unmanned chemical plants， self-driving cars， and drones. The existing artificial intelligence technology is generally widely used in the computer field. Although there are also related applications in the industrial application field， it is only limited to the autonomous control under artificial intervention， and can not truly realize the autonomous control of the machine. In the field of drone control， the requirements for autonomous control and stability of the control system are extremely stringent. Therefore， the division of the control level in the control system of the drone and the structural design of the control system are thorny issues that plague scientific researchers. This dissertation studies deeply the control level of UAV control system and the design of control system structure， and puts forward the corresponding methods and strategies. It has certain guiding significance for the future research of drone control field.

【Key words】Drone Autonomous Control Level System structure

0 導(dǎo)言

無人機通常工作在復(fù)雜和未知的環(huán)境中，這要求無人機必須具有很強的適應(yīng)各種復(fù)雜環(huán)境和自主學(xué)習(xí)、控制的能力。從現(xiàn)有的技術(shù)條件和研究現(xiàn)狀來看，無法真正實現(xiàn)無人機在復(fù)雜和未知環(huán)境下的自主控制，尤其是針對在出現(xiàn)異常狀況下的自主控制，這是現(xiàn)階段智能控制領(lǐng)域的一個難點，同時也是科研人員未來研究的重點方向。隨著電子科技、人工智能、微機技術(shù)、傳感器等相關(guān)技術(shù)的快速發(fā)展，未來無人機的控制必將向智能化、自主化、網(wǎng)絡(luò)化、小型化的方向發(fā)展。

在無人機的智能控制中，控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)的控制等級的劃分關(guān)系著無人機的操控性能和適應(yīng)復(fù)雜環(huán)境的能力，在無人工干預(yù)的情況下按照人的要求實現(xiàn)相應(yīng)的功能，完成特定的任務(wù)。由于無人機的控制涉及多個學(xué)科，例如，傳感器技術(shù)、計算機科學(xué)技術(shù)、微機原理、控制工程、智能算法等多個領(lǐng)域的知識。研究無人機的控制首先需要將人的思想“移植”給無人機，使無人機按照人類的方式處理遇到的復(fù)雜問題，根據(jù)遇到的不同環(huán)境做出適當(dāng)?shù)目刂茮Q策，是無人機領(lǐng)域的重點研究方向。因此，研究無人機控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)的控制等級的劃分對于無人機控制領(lǐng)域具有十分重要的意義。

1 智能感知

無人機具備人的思考能力的前提條件是必須具備對環(huán)境的感知能力，如人在走路時發(fā)現(xiàn)路面上有一條溝壑，就會繞過溝壑繼續(xù)前行，在這個過程中，人首先通過眼睛發(fā)現(xiàn)路面有問題，眼睛獲取的信息傳送至大腦，大腦對收到信息作出判斷，并將判斷的結(jié)果傳送至人的身體，通過身體的協(xié)調(diào)動作執(zhí)行大腦發(fā)出的“繞路走”的指令。與上述流程類似，無人機的控制系統(tǒng)在工作過程中的控制流程也是如此。首先，無人機上安裝的各類傳感器獲取外界環(huán)境中的各類信息，并將信息傳送至無人機的CPU中，CPU經(jīng)過對信息的處理、融合、計算，最終得出結(jié)論，并根據(jù)得出的結(jié)論，將控制信息發(fā)送至各個執(zhí)行部件，實現(xiàn)自主控制。

圖1 無人機感測系統(tǒng)示意圖

如圖1所示的無人機智能感知系統(tǒng)包括傾角傳感器、磁傳感器、距離傳感器、溫度傳感器、加速度傳感器等。慣性傳感器可以結(jié)合GPS模塊控制飛行的路徑和飛行方向；磁傳感器與傾角傳感器結(jié)合使用可以測量無人機的飛行姿態(tài)；距離傳感器可以探測無人機周圍是否存在障礙物，防止無人機與外界環(huán)境中的物體發(fā)生碰撞；溫度傳感器可以測量無人機所處環(huán)境中的溫度，由于上述各個傳感器的測量值的精度與溫度存在很大的關(guān)系，因此，需要根據(jù)溫度傳感器的數(shù)據(jù)進(jìn)行溫度誤差補償，保證各類測量數(shù)據(jù)的精確性。加速度傳感器廣泛應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域，其可以測量周圍空氣的流速、無人機的加速度、高度等信息。

2 控制等級劃分

圖2 無人機指令執(zhí)行控制等級劃分示意圖

由于無人機控制系統(tǒng)較為復(fù)雜，如果把所有的數(shù)據(jù)信息和控制指令全部中央處理器控制，會造成控制系統(tǒng)混亂結(jié)構(gòu)不清晰，各種信息和數(shù)據(jù)復(fù)雜錯亂，既影響了無人機維護和管理的便捷程度，由降低了無人機CPU的計算和處理速度。因此，根據(jù)無人機控制系統(tǒng)的控制流程和控制特點，把無人機的控制系統(tǒng)劃分為如圖2所示的控制等級示意圖。

由圖2可以看出，無人機的控制系統(tǒng)主要由一級控制系統(tǒng)中的任務(wù)系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)和協(xié)同作業(yè)系統(tǒng)組成，任務(wù)系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)和協(xié)同作業(yè)系統(tǒng)又分別由其各自子系統(tǒng)構(gòu)成，經(jīng)過若干級的劃分，最終由無人機系統(tǒng)中底層的執(zhí)行單元負(fù)責(zé)控制系統(tǒng)指令執(zhí)行的任務(wù)。無人機最重要的功能就是根據(jù)人的需要執(zhí)行任務(wù)，因此，在控制系統(tǒng)中必須對無人機設(shè)置任務(wù)系統(tǒng)，任務(wù)系統(tǒng)中包含無人機所需執(zhí)行的任務(wù)信息。任務(wù)系統(tǒng)的主要職責(zé)是根據(jù)設(shè)計人員的要求，把無人機在執(zhí)行任務(wù)時所需獲取的信息的指令下發(fā)到各個傳感器中，傳感器根據(jù)任務(wù)系統(tǒng)的控制獲取各類數(shù)據(jù)信息，并把相應(yīng)的信息傳送至任務(wù)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)存儲區(qū)中，保證任務(wù)系統(tǒng)可以根據(jù)設(shè)計人員的要求采集相應(yīng)的數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的任務(wù)是根據(jù)傳感器采集的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行實時處理，并根據(jù)數(shù)據(jù)處理結(jié)果把數(shù)據(jù)處理后的執(zhí)行命令下發(fā)到無人機的各個執(zhí)行件中，保證無人機的各個執(zhí)行件按照技術(shù)人員的設(shè)計和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)對數(shù)據(jù)的處理結(jié)果實時控制無人機按照設(shè)定的模式運行，保證無人機的運行不受外界環(huán)境的干擾；數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)是無人機自主控制的核心內(nèi)容，無人機自主控制的能力與數(shù)據(jù)處理的能力和速度息息相關(guān)，因此在進(jìn)行無人機系統(tǒng)等級劃分的時候，數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)作為主要的功能模塊與任務(wù)系統(tǒng)處在一級。

無人機的運行僅僅由一個或幾個傳感器的控制無法實現(xiàn)其控制要求，因此，對于整個無人機的控制系統(tǒng)來說，必須由協(xié)同控制系統(tǒng)來統(tǒng)一調(diào)配各個傳感器和運動部件，才能使無人機按照預(yù)期的目標(biāo)運行。

3 控制結(jié)構(gòu)設(shè)計

傳感器將無人機系統(tǒng)采集的所有數(shù)據(jù)經(jīng)子系統(tǒng)、主系統(tǒng)，最終傳送到無人機的主控制系統(tǒng)，主控系統(tǒng)對數(shù)據(jù)處理后把處理結(jié)果傳送給各個子控制系統(tǒng)，子控制系統(tǒng)再驅(qū)動各個運動部件運行，實現(xiàn)無人機的正常運行。隨著傳感器技術(shù)的快速發(fā)展，越來越多的多功能、高精度的傳感器作為無人機的“器官”被應(yīng)用在無人機上，例如，有磁力計和傾角傳感器組成的無人機姿態(tài)檢測模塊的精度可以達(dá)到0.1度，采集的數(shù)據(jù)精確，則無人機的控制精度就相應(yīng)的精確。此外，隨著伺服控制技術(shù)的快速發(fā)展，越來越多的小型伺服電機和馬達(dá)作為無人機的執(zhí)行系統(tǒng)為無人機的運行提供可靠的執(zhí)行力。

無人機的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要有傳感器組成的感測模塊、中央處理模塊和各個運動部件組成的執(zhí)行模塊構(gòu)成。隨著單片機技術(shù)的發(fā)展ARM芯片、DSP芯片等各類高端控制芯片廣泛作為無人機的中央處理系統(tǒng)應(yīng)用在無人機的控制系統(tǒng)中，中央處理器的運算速度、存儲量、運算能力關(guān)系著無人機的控制性能。由于無人機需適應(yīng)復(fù)雜的環(huán)境，其控制算法對無人機的響應(yīng)速度有十分重要的影響，傳統(tǒng)的PID算法已不能滿足現(xiàn)在無人機的控制要求，在無人機的控制系統(tǒng)中必須融入人工智能算法，如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法、蟻群算法等高級算法，才能實現(xiàn)無人機的自主智能控制。

4 結(jié)束語

本文通過對無人機的自主控制系統(tǒng)等級的劃分和控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計進(jìn)行了詳細(xì)的分析、介紹，并提出了相應(yīng)的技術(shù)方法和實施方案，隨著國內(nèi)無人機控制技術(shù)的快速發(fā)展，無人機產(chǎn)業(yè)的規(guī)模越來越大，各個科研單位、公司、高校以及相關(guān)的技術(shù)人員對無人機的研究會更加深入，無人機的控制系統(tǒng)將會更加完善。

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