無(wú)人機(jī)自主飛行系統(tǒng)

無(wú)人機(jī)自主飛行系統(tǒng)的架構(gòu)通常包括多個(gè)模塊和組件，用于實(shí)現(xiàn)飛行控制、感知、決策和執(zhí)行等功能。以下是一個(gè)基本的架構(gòu)示例：

1.    傳感器模塊：

• 慣性測(cè)量單元（IMU）：用于測(cè)量飛行器的加速度和角速度。

• 全球定位系統(tǒng)（GPS）：提供位置和速度信息。

• 攝像頭或激光雷達(dá)：用于視覺(jué)感知和障礙物檢測(cè)。

2.    數(shù)據(jù)融合模塊：

• 將來(lái)自不同傳感器的數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，提高位置、速度和姿態(tài)的準(zhǔn)確性。

1. 飛行控制模塊：

• 自動(dòng)駕駛控制器：根據(jù)傳感器數(shù)據(jù)和目標(biāo)任務(wù)，生成飛行姿態(tài)和軌跡。

• 航向控制器：控制飛行器的方向。

• 高度控制器：控制飛行器的高度。

• 姿態(tài)控制器：控制飛行器的姿態(tài)。

2. 決策與規(guī)劃模塊：

• 路徑規(guī)劃算法：根據(jù)任務(wù)和環(huán)境條件，生成安全、高效的飛行路徑。

• 避障算法：在飛行過(guò)程中避免障礙物，并且確保飛行器遵守規(guī)定的空域限制。

3. 執(zhí)行模塊：

4. 電機(jī)控制器：控制飛行器的電機(jī)，實(shí)現(xiàn)姿態(tài)和位置的調(diào)整。

• 通信模塊：與地面站或其他飛行器進(jìn)行通信，接收任務(wù)指令或發(fā)送飛行狀態(tài)信息。

5. 用戶界面模塊：

• 地面站軟件：用于監(jiān)控和控制飛行器，設(shè)定任務(wù)和參數(shù)。

這些模塊通常通過(guò)內(nèi)部總線或通信接口相互連接，并在整個(gè)飛行過(guò)程中協(xié)同工作，從而實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)的自主飛行。具體的架構(gòu)設(shè)計(jì)可能會(huì)根據(jù)無(wú)人機(jī)的類型、應(yīng)用場(chǎng)景和性能要求而有所不同。

當(dāng)涉及無(wú)人機(jī)自主飛行時(shí)，數(shù)據(jù)融合模塊起著至關(guān)重要的作用。這個(gè)模塊負(fù)責(zé)將來(lái)自不同傳感器的數(shù)據(jù)整合在一起，以提高對(duì)飛行器位置、速度和姿態(tài)的準(zhǔn)確性。下面是數(shù)據(jù)融合模塊的具體描述：

1. 數(shù)據(jù)接收與預(yù)處理：

• 數(shù)據(jù)融合模塊首先接收來(lái)自各種傳感器的原始數(shù)據(jù)，例如IMU、GPS、攝像頭或激光雷達(dá)的數(shù)據(jù)。

• 對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，可能包括校準(zhǔn)、濾波、坐標(biāo)變換等操作，以確保數(shù)據(jù)的一致性和可用性。

2. 特征提取與跟蹤：

• 對(duì)于視覺(jué)傳感器（如攝像頭或激光雷達(dá)），數(shù)據(jù)融合模塊可能會(huì)進(jìn)行特征提取，例如提取環(huán)境中的地標(biāo)或障礙物。

• 通過(guò)跟蹤這些特征，可以獲得有關(guān)飛行器周圍環(huán)境的持續(xù)信息，并在決策和規(guī)劃階段使用。

3. 傳感器數(shù)據(jù)融合：

• 將來(lái)自不同傳感器的數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，形成綜合的飛行狀態(tài)估計(jì)。這可以通過(guò)多傳感器融合技術(shù)，如擴(kuò)展卡爾曼濾波（EKF）或無(wú)跡卡爾曼濾波（UKF）來(lái)實(shí)現(xiàn)。

• 通過(guò)融合來(lái)自不同傳感器的信息，可以彌補(bǔ)單個(gè)傳感器的局限性，提高飛行器的位置、速度和姿態(tài)估計(jì)的精度和穩(wěn)定性。

4. 誤差估計(jì)與校正：

• 對(duì)于融合后的飛行狀態(tài)估計(jì)，數(shù)據(jù)融合模塊可能會(huì)進(jìn)行誤差估計(jì)和校正，以進(jìn)一步提高準(zhǔn)確性。

• 這可能涉及估計(jì)傳感器的偏差、噪聲和不確定性，并將其納入狀態(tài)估計(jì)過(guò)程中進(jìn)行補(bǔ)償或校正。

5. 輸出與傳遞：

• 最終，數(shù)據(jù)融合模塊會(huì)生成一個(gè)綜合的飛行狀態(tài)估計(jì)，包括飛行器的位置、速度和姿態(tài)信息。

• 這些估計(jì)值將被傳遞給飛行控制模塊，用于制定飛行策略和控制指令的生成。

通過(guò)數(shù)據(jù)融合模塊的作用，無(wú)人機(jī)可以更準(zhǔn)確地理解周圍環(huán)境，并更可靠地執(zhí)行自主飛行任務(wù)。

飛行控制模塊是無(wú)人機(jī)自主飛行系統(tǒng)中的關(guān)鍵組成部分，它包括多個(gè)控制器，這些控制器相互協(xié)作，共同實(shí)現(xiàn)對(duì)飛行器的精 確控制。以下是飛行控制模塊中常見(jiàn)的控制器以及它們之間的作用關(guān)系：

1. 自動(dòng)駕駛控制器：

• 自動(dòng)駕駛控制器是飛行控制模塊的核心部分，負(fù)責(zé)根據(jù)任務(wù)需求和傳感器數(shù)據(jù)生成飛行器的姿態(tài)和軌跡。

• 它基于飛行器的當(dāng)前狀態(tài)、目標(biāo)狀態(tài)以及環(huán)境條件，利用控制算法（如PID控制器、模型預(yù)測(cè)控制器等）計(jì)算出期望的姿態(tài)和軌跡。

• 自動(dòng)駕駛控制器通常將期望的姿態(tài)和軌跡輸出給其他控制器，如航向控制器、高度控制器和姿態(tài)控制器。

2. 航向控制器：

• 航向控制器負(fù)責(zé)控制飛行器的方向，確保其按照期望的航向飛行。

• 它接收自動(dòng)駕駛控制器生成的期望航向指令，并通過(guò)調(diào)整飛行器的方向舵或者差分推力器來(lái)實(shí)現(xiàn)航向的調(diào)整。

3. 高度控制器：

• 高度控制器負(fù)責(zé)控制飛行器的飛行高度，確保其按照期望的高度飛行。

• 它接收自動(dòng)駕駛控制器生成的期望高度指令，并通過(guò)調(diào)整飛行器的升降舵或者推力來(lái)實(shí)現(xiàn)高度的調(diào)整。

4. 姿態(tài)控制器：

• 姿態(tài)控制器負(fù)責(zé)控制飛行器的姿態(tài)（如俯仰、滾轉(zhuǎn)和偏航），確保其按照期望的姿態(tài)飛行。

• 它接收自動(dòng)駕駛控制器生成的期望姿態(tài)指令，并通過(guò)調(diào)整飛行器的舵面或者推力分配來(lái)實(shí)現(xiàn)姿態(tài)的調(diào)整。

這些控制器之間相互協(xié)作，通過(guò)不斷地接收、處理和調(diào)整控制指令，使得飛行器能夠穩(wěn)定地執(zhí)行各種飛行任務(wù)，例如起飛、巡航、轉(zhuǎn)彎、盤(pán)旋和降落。自動(dòng)駕駛控制器負(fù)責(zé)生成整體的飛行控制策略，而航向、高度和姿態(tài)控制器則負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)具體的控制動(dòng)作，共同保證飛行器的安全、穩(wěn)定和高效飛行。

Unmanned Aircraft System (UAS)在《無(wú)人機(jī)路 線圖2005~2030》被美國(guó)國(guó)防部和FAA所采用[1]，并給出了定義：指不載有操作人員、利用空氣動(dòng)力提供升力、可以自主飛行或遙控駕駛、可以一次使用也可回收使用、攜帶致命或非致命有效載荷的有動(dòng)力飛行器。此定義明確了無(wú)人機(jī)的最基本內(nèi)涵：1) 飛機(jī)上無(wú)駕駛?cè)藛T；2) 能完成一定的使命任務(wù)；3) 能夠重復(fù)使用。

無(wú)人機(jī)發(fā)展到現(xiàn)在，在技術(shù)上使用Unmanned Aerial Vehicle (UAV)來(lái)代表無(wú)人機(jī)，而在民間中，則經(jīng)常使用drone(老式軍用無(wú)人機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)有規(guī)則的噪聲與公蜂的蜂鳴相似的原因)來(lái)代表無(wú)人機(jī)

無(wú)人機(jī)的兩種形式表達(dá)：unmannedaerialvehicle和uninhabitedaerialvehicle仔細(xì)探究其含義是有區(qū)別的，unmanned從字面上有兩個(gè)含義: 其一是直接的含義，無(wú)人的，飛機(jī)上無(wú)人；其二是無(wú)人操縱的；而uninhabited只有飛機(jī)上無(wú)人的含義。從unmanned字面上講，無(wú)人 機(jī)應(yīng)同時(shí)具備兩個(gè)含義, 即: 人不在飛機(jī)上并且人不操控飛機(jī), 飛機(jī)能夠“正?！憋w行，也就是說(shuō)無(wú)人機(jī)從起飛準(zhǔn)備-滑行-起飛-空中飛行-返場(chǎng)著陸-退出關(guān)停的全過(guò)程(圖1)都可不需要人介入。因此，用“unmanned aerialvehicle”來(lái)定義無(wú)人機(jī)是最合適的，更能體現(xiàn)“真” 無(wú)人機(jī)的內(nèi)涵。無(wú)人作戰(zhàn)飛機(jī)(UCAV)的英文表達(dá)應(yīng)為: unmanned combat aerial vehicle。

無(wú)人機(jī)經(jīng)歷了 下面幾個(gè)發(fā)展階段，并形成了相應(yīng)種類的無(wú)人機(jī)：

(1) 遙控飛行無(wú)人機(jī)(階段)；

(2) 遙控加局域自動(dòng)飛行無(wú)人機(jī)(階段)；

(3) 全自動(dòng)飛行無(wú)人機(jī)(階段)；

(4) 全自動(dòng)加局域自主飛行無(wú)人機(jī)(階段)；

(5) 全自主飛行無(wú)人機(jī)階段(下一階段,即將來(lái)臨)。

目前，國(guó)際上無(wú)人機(jī)的最 高水平是全自動(dòng)加局域自主飛行無(wú)人機(jī)，根據(jù)不同的任務(wù)需求以及人力和成本的情況，依據(jù)實(shí)際情況來(lái)選擇無(wú)人機(jī)的種類，這幾 類無(wú)人機(jī)可以并存，相互補(bǔ)充，充分發(fā)揮每一種無(wú)人 機(jī)的優(yōu)勢(shì)。

遙控飛行無(wú)人機(jī)(remotely piloted vehicle)與“真”無(wú)人機(jī)(unmanned aerial vehicle) 其內(nèi)涵和本質(zhì)是有區(qū)別的。遙控飛行的無(wú)人機(jī)的構(gòu)架原理圖見(jiàn)圖2，“真”無(wú)人機(jī)的構(gòu)架原理圖見(jiàn)圖3。從圖2和3可直觀看到二者的不同，遙控飛行無(wú)人機(jī)是在人直接控制下工作的，即人在其工作環(huán)中；而無(wú) 人機(jī)是在人授權(quán)下工作的，人在其工作環(huán)之外，而不是在工作環(huán)之中，這一本質(zhì)上的差別就導(dǎo)致了二者在設(shè)計(jì)中系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、控制功能和實(shí)現(xiàn)方法的不同。

無(wú)論怎樣給無(wú)人機(jī)下定義, 有自我獨(dú)立工作能力應(yīng)是其本質(zhì)屬性, 但不變的原則是: 無(wú)人機(jī)由人使用，人是無(wú)人機(jī)的“主人”，無(wú)人機(jī)必須聽(tīng)從人的管控，無(wú)人機(jī)自我獨(dú)立工作權(quán)限自然是由人隨時(shí)進(jìn)行設(shè)置的，顯而易見(jiàn)，為實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)的功用，無(wú)人機(jī)的結(jié)構(gòu)與能力是在“制造”它時(shí)構(gòu)造的。因此，標(biāo)準(zhǔn)的無(wú)人機(jī)應(yīng)有3 個(gè)工作模態(tài)：自主(自動(dòng))模態(tài)、人工干預(yù)模態(tài)和人工 操縱模態(tài)。這3種模態(tài)的使用是由人(操作員)設(shè)置與選擇的。人(操作員)選擇模態(tài)也應(yīng)綜合考慮實(shí)際環(huán)境的 復(fù)雜情況, 可遵循“將在外, 君命有所不受”的原則進(jìn) 行模態(tài)選擇. 上面的3個(gè)工作模式的定義與含義如下: (1) 自主 (自動(dòng))模態(tài)是無(wú)人機(jī)系統(tǒng)的默認(rèn)模式，此模式按照人制定的規(guī)則、理念、思路進(jìn)行工作，管控?zé)o人機(jī)的飛 行；(2) 人工干預(yù)模態(tài)是在自主(自動(dòng))模態(tài)下，人主動(dòng) 糾正自主(自動(dòng))飛行的偏差，是在默認(rèn)控制基礎(chǔ)上增 加一△增量；(3) 人工操縱模態(tài)是在控制系統(tǒng)出現(xiàn)故障而無(wú)法自主(自動(dòng))控制無(wú)人機(jī)應(yīng)急條件下，由人直接操縱飛機(jī)。一般情況下，人工操縱難以保證飛機(jī)的控制效果，其原因很簡(jiǎn)單：人不在飛行現(xiàn)場(chǎng)，難以準(zhǔn)確感知飛機(jī)的運(yùn)動(dòng)信息，因而也就難以準(zhǔn)確控制飛機(jī)，無(wú)人機(jī)采用上述3個(gè)工作模態(tài)事實(shí)上也明確了“人 機(jī)權(quán)限”問(wèn)題，人作為無(wú)人機(jī)的“主人”，人通過(guò)制定規(guī)則和策略管控?zé)o人機(jī)，無(wú)人機(jī)按規(guī)則和策略自主(自動(dòng))生成控制指令控制飛機(jī)的飛行；飛行中出現(xiàn)與人的設(shè)想不一致結(jié)果時(shí)，人可進(jìn)行適度的修正；飛行出現(xiàn)應(yīng)急情況時(shí)，人可直接操控飛機(jī)，這是“孤注一擲”的行為。