Hệ thống dẫn đường trên không hoạt động như thế nào trong UAV?

Chuyến bay tự hành của máy bay không người lái không thể tách rời thuật toán điều hướng và thuật toán dẫn đường. Chức năng của thuật toán dẫn đường là đo lường và tính toán trạng thái chuyển động theo thời gian thực và thông tin vị trí của UAV, vì vậy các loại cảm biến là tiền đề cần thiết để hiện thực hóa thuật toán dẫn đường và là đầu vào cần thiết của thuật toán dẫn đường.
Với sự phát triển của khoa học công nghệ, ngày càng có nhiều loại cảm biến và nhiều loại hệ thống định vị ra đời. Lấy hệ thống hàng không làm ví dụ. Hiện tại, các hệ thống dẫn đường trên không đã được trang bị bao gồm hệ thống dẫn đường quán tính, hệ thống định vị GPS, hệ thống định vị Beidou, hệ thống định vị Doppler và hệ thống định vị Rolland C. Chưa nói đến hệ thống định vị nào tốt hơn những hệ thống khác, nó chỉ có những đặc điểm, ưu điểm và nhược điểm riêng.
Nhìn chung, chúng ta sẽ sử dụng nhiều hệ thống dẫn đường cùng lúc, vì chỉ một hệ thống thì không thể đáp ứng được yêu cầu sử dụng. Tuy nhiên, hai hoặc nhiều hệ thống dẫn đường không tương tự nhau có thể giảm hiệu quả các lỗi đo lường và sửa chúng bằng cách đo thông tin dẫn đường thống nhất và tính toán thông tin trạng thái. Lấy máy bay không người lái làm ví dụ. Vì điều hướng quán tính và điều hướng GPS bổ sung cho nhau về hiệu suất, chúng tôi thường áp dụng sự kết hợp của điều hướng quán tính và định vị GPS để thiết kế hệ thống dẫn đường trên không, nhằm đạt được hiệu suất điều hướng tốt.
Thuật toán thiết kế điều hướng tích hợp
Nhìn chung có hai cách để nhận ra hệ thống điều hướng tích hợp:
Phương pháp phản hồi vòng lặp
Phương pháp phản hồi vòng lặp áp dụng phương pháp điều khiển vòng lặp cổ điển để loại bỏ lỗi hệ thống, do đó mỗi hệ thống con có thể nhận ra hiệu suất bổ sung cùng một lúc. Ví dụ, phương pháp phổ biến của chúng tôi là sử dụng gia tốc kế và con quay hồi chuyển để đo thông tin nhằm thiết kế bộ lọc bổ sung và tính toán góc thái độ thuộc về loại này.
Phương pháp ước lượng
tối ưu Phương pháp ước lượng tối ưu đề cập đến phương pháp sử dụng bộ lọc Kalman hoặc bộ lọc Wiener để ước tính sai số hệ thống và loại bỏ nó theo quan điểm của tối ưu hóa thống kê xác suất.
Hai phương pháp trên nhằm thẩm thấu và kết hợp một cách hữu cơ thông tin của mỗi hệ thống, do đó có vai trò bổ sung cho nhau. Tuy nhiên, thông thường các nguồn sai số và sai số đo lường của mỗi hệ thống con là ngẫu nhiên, vì vậy phương pháp ước lượng tối ưu nhìn chung tốt hơn phương pháp phản hồi vòng lặp. Hiện tại, dòng chính của thiết kế điều hướng tích hợp là phương pháp lọc Kalman.
Sau đây tôi sẽ cung cấp cho bạn một bản xem trước và tôi sẽ giới thiệu quy trình cụ thể của hai phương pháp trên để thực hiện tính toán điều hướng một cách chi tiết.
Giới thiệu cảm biến
Cơ sở của hệ thống định vị là cảm biến, và đầu vào thiết kế của thuật toán điều hướng là dữ liệu được đo bằng cảm biến. Vì vậy trước khi bắt đầu thiết kế hệ thống dẫn đường, trước tiên chúng ta nên hiểu các loại cảm biến thường được sử dụng trong các phương tiện bay không người lái là gì? Nguyên lý đo của các cảm biến này là gì? Như chúng tôi đã đề cập ở trên, chế độ dẫn đường phổ biến của máy bay không người lái là dẫn đường quán tính + GPS, vì vậy các cảm biến thông dụng trên máy bay không người lái cũng được phát triển dựa trên hai chế độ đó. Điều hướng quán tính thường bao gồm gia tốc kế ba trục, con quay hồi chuyển ba trục, từ kế ba trục, cùng với GPS, cấu thành phần chính của Cảm biến trên không. Bên cạnh đó, còn có cảm biến phạm vi siêu âm, cảm biến phạm vi laser, máy đo tốc độ, khí áp kế, cảm biến thị lực, v.v.

01 Gia tốc kế Gia tốc
kế là một cảm biến quán tính, có thể đo gia tốc của máy bay không người lái theo hướng ba trục XYZ và thông thường nó cũng có thể đo trạng thái ba trục của máy bay cùng với con quay hồi chuyển. Nhược điểm của gia tốc kế là tín hiệu bị ảnh hưởng rất nhiều bởi rung động, do đó cần phải xử lý hấp thụ xung kích khi nó được sử dụng trên máy bay, và việc lọc cũng được thực hiện sau khi thu thập dữ liệu.
Khi máy bay đứng yên, gia tốc kế đo được là gia tốc trọng trường, vì vậy trong thực tế sử dụng, chúng ta cần loại bỏ giá trị của gia tốc trọng trường. Nói chung, nguyên lý đo của gia tốc kế có thể được coi là một mô hình khối lượng lò xo, nhưng trên thực tế, phép đo của gia tốc kế dựa trên hiệu ứng áp, hiệu ứng áp điện, v.v ... Các lực tạo ra bởi các hiệu ứng này được so sánh với lực cản. Các giá trị điện áp và điện dung được đưa ra thông qua các mạch khuếch đại và mạch lọc tương ứng.
Ngoài ra, khi ngoại lực tác dụng lên máy bay không người lái nhỏ hơn nhiều so với trọng lực, thì gia tốc kế cũng có thể được sử dụng để đo góc độ, bởi vì khi máy bay nghiêng, gia tốc đo bằng gia tốc kế theo hệ trục của thân máy bay có liên quan. đến góc thái độ của UAV và giá trị của gia tốc trọng trường, trong khi giá trị của gia tốc trọng trường đã biết, chúng ta có thể tính toán thông tin thái độ của máy bay không người lái theo độ lớn của gia tốc ba trục (ngoại trừ hành trình).
02 con quay hồi chuyển
Con quay hồi chuyển có nhiều loại, con quay hồi chuyển MEMS, con quay áp điện, con quay hồi chuyển laser, con quay sợi quang, ... Giá cả của con quay hồi chuyển rất khác nhau. Nói chung, con quay hồi chuyển MEMS được sử dụng trong UAV cỡ nhỏ, hoạt động dựa trên nguyên lý hoạt động của lực Coriolis. Lực Coriolis tạo ra các vật chuyển động thẳng so với hệ tọa độ quay, bởi vì lực Coriolis được so sánh với vận tốc góc quay, vận tốc góc tương ứng có thể được tính theo sự thay đổi điện dung do lực Coriolis tạo ra.
Cảm biến con quay hồi chuyển có thể theo dõi vận tốc góc của ba trục, vì vậy nó đóng một vai trò rất quan trọng trong hệ thống định vị, thường được sử dụng để tính toán góc thái độ. Tuy nhiên, vì góc thu được bằng tích phân vận tốc góc thay đổi nghiêm trọng theo thời gian, một con quay hồi chuyển không thể tính toán giá trị góc chính xác, nó thường cần được sử dụng cùng với gia tốc kế và đây là phần bổ sung hiệu suất mà chúng tôi đã đề cập ở trên.
03 Từ kế Máy đo
từ tính, như tên gọi, sử dụng từ trở hoặc hiệu ứng Hall khác nhau để đo cường độ cảm ứng từ trong không gian. Theo nguyên lý của lực Lorentz, sự thay đổi cường độ của trường điện từ sẽ tạo ra sự thay đổi của lực Lorentz, do đó làm thay đổi điện dung trong mạch.
Từ kế thường không được sử dụng riêng biệt mà được sử dụng cùng với gia tốc kế và con quay hồi chuyển để tính toán góc thái độ. Tuy nhiên, nếu máy bay không người lái băng qua một khu vực rộng lớn khi bay, việc sử dụng bình thường của từ kế sẽ bị ảnh hưởng do sự chênh lệch của cường độ từ trường xung quanh Trái đất. Do đó, GPS kép được sử dụng để đo thông tin về khóa học trong nhiều trường hợp.
Ngoài ra, từ kế rất nhạy cảm với các chất có từ tính vĩnh cửu như sắt cứng và sắt mềm. Sự thay đổi của từ trường xung quanh sẽ ảnh hưởng đến việc sử dụng Magnetometer. Người ta nói rằng từ kế dễ bị nhiễu nhất trong tất cả các cảm biến của UAV. Khi chúng ta gỡ lỗi máy bay không người lái, chúng ta thường gặp phải tình huống drift tất nhiên, hầu hết đều liên quan đến hoạt động không đúng của từ kế. Vì vậy, nếu có một phương pháp tốt hơn để đo khóa học, nó cũng là cần thiết để loại bỏ từ kế.
04 GPS
Khi bạn đến một nơi xa lạ, bạn sử dụng bản đồ điện tử trong điện thoại của mình để chỉ đường và một trong những phần quan trọng nhất của việc định vị là GPS. Vệ tinh GPS trên bầu trời phát đi một vị trí và dấu thời gian nhất định theo thời gian thực, lúc này máy thu GPS trên mặt đất sẽ nhận được thông tin. Chỉ khi số lượng vệ tinh lớn hơn hoặc bằng 4, thông tin định vị mới có thể được tạo ra.
Thông thường, GPS chỉ có thể được sử dụng trong không gian mở và người lái xe sẽ thấy rằng tín hiệu GPS sẽ bị mất khi đi vào cầu và đường hầm khi sử dụng điều hướng. Vì vậy, khi sử dụng GPS, chúng ta nên cố gắng hết sức để ở trong khu vực không có nơi trú ẩn. Để tăng độ chính xác của phép đo, GPS được sử dụng trên máy bay không người lái sẽ sử dụng các phương pháp nâng cao như chênh lệch cao độ giả và RTK, có thể cải thiện đáng kể độ chính xác định vị của máy bay không người lái.
05 phong vũ biểu
Nguyên lý hoạt động của phong vũ biểu là dùng áp suất khí quyển để tính độ cao. Phong vũ biểu cũng là một cảm biến dễ bị can thiệp bởi thế giới bên ngoài. Khi nhiệt độ thay đổi, áp suất không khí cũng sẽ thay đổi. Ngoài ra, luồng không khí tạo ra bởi cánh quạt làm việc trên máy bay không người lái thường sẽ ảnh hưởng đến phép đo của khí áp kế. Do đó, nếu các cảm biến độ cao tương đối như sóng siêu âm hoặc cảm biến đo khoảng cách bằng laser được lắp đặt, chúng ta có thể thay thế sơ đồ phong vũ biểu bằng cách sử dụng công cụ tìm sóng siêu âm / laser + độ cao GPS.
06 đầu dò siêu âm
Sóng siêu âm là một loại sóng âm thanh nằm ngoài tần số thính giác của tai người. Do khả năng định hướng tốt và khả năng xuyên thấu mạnh, nó được sử dụng rộng rãi trong đo lường phạm vi và tốc độ. Tín hiệu siêu âm được gửi đi bởi cảm biến siêu âm, được phản xạ bởi đối tượng và sau đó được nhận bởi một cảm biến siêu âm khác. Do đó, khoảng cách đến vật bằng một nửa tích của tốc độ truyền sóng âm và khoảng thời gian. Giá của cảm biến siêu âm nhìn chung tương đối rẻ, tuy nhiên do tốc độ truyền sóng âm chậm, tần số cập nhật dữ liệu của cảm biến siêu âm tương đối thấp và phạm vi đo nhỏ là những khuyết điểm của cảm biến siêu âm.
07 Cảm biến phạm vi laser
Nguyên tắc của cảm biến phạm vi laser về cơ bản giống như của cảm biến siêu âm, nhưng phương pháp truyền dẫn khác nhau. Cảm biến phạm vi laser phát ra nguồn laser và tốc độ lan truyền của nó nhanh theo thời gian. Do đó, tần số tín hiệu cao hơn rất nhiều so với cảm biến siêu âm, đồng thời giá thành cũng cao hơn. Vì vậy, nhược điểm của nó cũng rất rõ ràng, giá cao và dải đo ngắn, trừ những loại có thể quét được thì đắt hơn.
08 Cảm biến trực quan
Cảm biến trực quan đề cập đến việc sử dụng máy ảnh để lấy thông tin hình ảnh, sau đó xác định thông tin trạng thái như vị trí và tốc độ của mục tiêu hoặc máy bay so với mục tiêu theo thông tin hình ảnh. Thuật toán xử lý hậu kỳ rất quan trọng đối với cảm biến thị giác, đặc biệt là sự phát triển của thuật toán học sâu đã mang lại sức sống mới cho việc ứng dụng cảm biến thị giác trong máy bay không người lái. Gần đây, nhiều nghiên cứu về UAV dựa trên tầm nhìn, chẳng hạn như theo dõi mục tiêu, tránh chướng ngại vật, vị trí, v.v.
09 Một chỉ báo tốc độ bay
Máy đo tốc độ thường được sử dụng trên UAV cánh cố định, vì nguyên lý hoạt động của chúng liên quan mật thiết đến tốc độ không khí như lực nâng, tốc độ chòng chành. Nguyên tắc đo của máy đo tốc độ là xác định áp suất động của luồng không khí theo nguyên tắc của Bernoulli bằng cách đo tổng áp suất và áp suất tĩnh của luồng không khí, sau đó tính toán tốc độ không khí.