無人機導航系統設計

飛行實驗是無人機設計過程中不可缺少的重要組成部分 無人機具有非定常非線性的飛行動力學特性 不管是理論計算還是風動實驗 均不能反映它的真實飛行情況 飛行實驗是研究無人機的運動特性 調整無人機飛行控制率的重要手段 飛行實驗在無人機的設計過程中起着重要的作用 首先 通過飛行實驗可以獲得真實的飛行數據 研究無人機的相關的運動特性 在無人機對象的特性研究中 其低雷諾數的空氣動力學模型的構建 以及非常規特性的分析都存在着較大的困難 對於單一的無人機實體 由於製造上存在着細微的誤差 也可能導致通用的模型變得不適用 無人機具有便捷的是非條件 結合積攢的導航系統、測量信息 能夠獲得每架無人機的實際飛行數據信息 採用最大自然古蹟、神經網絡等辨識方法 就能夠建立針對無人機的空氣動力學模型 同時提供無人機個體之間的氣動模型個體差異數據 飛行實驗還能夠檢驗無人機系統的可靠性 無人機由於尺寸和重量上面的限制要求 其積載系統內使用了大量的微小型元器件 在一定的MEMS技術條件下 這類元器件本身在精度、可靠性等方面 就可能與實際需求存在着一定的差異 而各類元器件在狹小的積載空間內 也會相互干擾、影響 更是使得整個無人機系統出現嚴重的可靠性問題 對於無人機系統可靠性的研究 一般難以用數學仿真來加以描述 在一定程度上 地面的各類可靠性實驗設備 如高低溫實驗箱、振動實驗箱等等 也能夠對無人機系統在各種條件下面的可靠性進行研究 但是通過實際的飛行實驗來研究系統的可靠性 纔是最爲全面、也是最爲可信的 飛行實驗同時也可以作爲自主飛行控制系統的設計平臺 無人機的自主飛行是一個非線性、非定常的控制問題 控制系統中許多參數都需要實時的進行調整 自主的參數調整行爲也只有在實際的飛行中 在各類真實的狀況下才能夠判斷其是否合理 同樣的 需要結合實際的飛行實驗才能夠對系統進行有效的改進 下面我們介紹一下無人機飛行實驗的特殊性 無人機相對於有人飛行器而言 尺寸小、重量輕 對於試飛的條件要求不苛刻 這使得飛行實驗在無人機的設計中能夠起到獨特的作用 在無人機飛行實驗中需要注意以下幾個方面的問題 一 飛行實驗前的準備工作 對於無人機這樣的高度的集成系統 其飛行極易受到各類條件的影響 試飛前的檢查準備工作極爲重要 首先要檢查無人機的導航系統是否正常工作 無人機導航系統的測量精度 特別是對姿態信息的正確的提取 是實現其飛行控制的重要前提 其次要檢查無人機自身內部結構是否合理安裝 檢查重心、舵面 細微的重心位置變化 控制舵面的不對稱 都會引起無人機飛行控制的不穩定 甚至使得系統崩潰 飛行實驗環境的選擇 包括對是非區域和是非氣象條件的選擇 無人機一般飛行高度比較低 在無人機的飛行實驗中 應該儘量選擇地勢相對平坦 視野較爲開闊的場地 避免無人機與高樓樹木等障礙物的碰撞 或者在遙控過程中被其遮擋 在氣象條件的選擇上 應儘量選擇晴朗能見度高的天氣 但是對於某些特殊的是非任務 如在對無人機抗風性能 耐高溫耐低溫工作實驗時 應相應地選擇風速溫度條件 無人機的飛行實驗 也具有非常嚴格的規範性的要求 雖然無人機的飛行實驗 在各方面都較常規飛行器實驗來得簡潔 但是要保證每次是非任務順利地完成 仍然需要制定規範的飛行實驗大綱 嚴格按照大綱的內容來進行試飛 每次完整的飛行實驗 還應該完成飛行實驗報告 針對飛行實驗中各項任務的完成情況 各類飛行數據的處理 以及可能遇到的各類異常情況 來進行分析與研究 不同階段無人機的飛行實驗 也具有不同的特點 常規的飛行器設計中 一般分爲方案設計 初步設計 詳細初步設計 詳細設計 試製和試飛六個階段 基於飛行實驗的複雜性 常規飛行器飛行實驗 都是在大量的其他設計的基礎上進行的 對於無人機而言 得益於飛行實驗的便利條件 可以將飛行實驗從開始的方案設計階段 就一直貫穿於整個飛行器的設計研製 在不同的設計階段 無人機飛行實驗的任務目標也有不同 在方案設計 初步設計階段 飛行實驗着重於對無人機的 總體外形設計進行驗證 對氣動佈局的選擇進行改進 因此 這一類飛行實驗主要依靠人員遙控 檢驗無人機本身的氣動特性 固有飛行品質等等 在無人機完成總體定型設計之後的 自主飛行系統設計階段 無人機的飛行實驗 則主要用於檢驗飛行控制系統的效果 在這一階段的飛行實驗中 對於無人機飛行數據的獲取和處理分析 對控制參數的調整是非常關鍵的 無人機飛行實驗 不僅僅因設計階段的不同而有區別 即使在同一階段 每次飛行實驗 都應該根據不同的設計任務 採用針對性的試飛方案設計 如在無人機的自主飛行控制階段的飛行實驗中 也可按照控制系統實際的設計程度 分爲姿態控制、設計調整、導航設計研究等不同階段 並對各個部分再進行細分 在無人機的飛行實驗中 需要對試飛異常情況進行預見與處理 無人機系統存在着相對較多的不可靠因素 如因遮擋或者距離因素引起的機載地面的信息傳輸中的 衛星信號遮擋引起的GPS信號丟失等等 對於這些可能出現的異常情況 在無人機飛行實驗中都應該有一定的預見性 並做好相應的方案設計