發布詢價單
您的位置:首頁 > 資訊 > 科技探索 > 正文

無人機自動懸停的實現方法

2019-06-27 10:54 性質:轉載 來源:硬件十萬個為什么
自動懸停的意思就是將無人機固定在預設的高度位置與水平位置上,其實也就是一組三維座標。不過,無人機是如何知道自己的位置的呢?其實說起來也很...

  自動懸停的意思就是將無人機固定在預設的高度位置與水平位置上,其實也就是一組三維座標。不過,無人機是如何知道自己的位置的呢?其實說起來也很簡單,高度一般來說是通過超聲波傳感器(測量與地面的距離,比較少見)或者是氣壓計(高度會影響大氣壓的變化)來測量的,而水平位置的座標則由GPS模塊來確定。

  當然,GPS也可以提供高度信息,但對于主流的無人機來說,更傾向于使用氣壓計,因為低成本的GPS的數據刷新率太低,在高速運動的時候數據滯后會導致無人機高度跌落。

  除了GPS模式來定位外,無人機還有一種“姿態模式”,依靠的是內部的IMU(慣性測量單元,實際上就是一組陀螺儀+加速度計傳感器)來識別自身的飛行狀態和相對位移。

  智能調節系統消除外界干擾

  通過各種傳感器知道自己的高度與水平位置之后,無人機要如何懸停在這個預設的位置上呢?這其實就是一套負反饋自動控制系統(意思就是偏離預設值就自動調整回來)。

  以GPS模式為例,當無人機受到外界影響,高度有升高或者降低的趨勢時,控制單元就調節馬達的功率進行反方向運動補償;如果無人機有被風橫向吹離懸停位置的趨勢,控制單元可以啟動側飛模式與之抵消——這些反應都是比較快的,只要外界影響不是大得離譜(專業多軸無人機一般抗四級風沒有問題),專業的無人機都可以應付,你所看到的就是它穩穩地定在那里沒有動。

  在天氣不是很好,GPS搜星困難的時候,姿態模式就派上用場了。依靠無人機內部的IMU單元,系統可以識別當前的飛行姿態,進行自動平衡補償,同樣可以實現高度和水平位置的鎖定。

  無人機懸停精度如何?

  一般來說,萬元以下的發燒玩家級無人機可以實現誤差在垂直0.8米、水平2.5米精度范圍內自動懸停,其他機型的懸停精度在產品參數表中都有標明。當然,這個級別的無人機也具備“專家模式”,你可以通過手動來進行高精度的微調。2000元級的無人機也有帶GPS系統的機型,可以實現智能懸停,當然穩定性會比發燒級要差一些;800~1000元級別的機型,一般還是可以依靠IMU單元來實現懸停,精度和穩定度則更差一些;至于更入門的娛樂機型——就只能靠你靈巧的雙手來穩住了。

大疆的“悟”系列可以在沒有GPS信號的室內通過“視覺定位”實現定點懸停

  無人機得知道自己在三維空間里的坐標,也就是知道自己在哪兒,才能找到需要懸停的位置,而這個坐標是靠GPS、氣壓計或者是超聲波傳感器、攝像頭來實現的。GPS就很好理解了,大家都用過手機的GPS導航,無人機也一樣,可以方便地通過GPS讀數來了解自己所處的水平坐標。

  除了水平坐標,還需要一個高度值才能確定無人機懸停的位置。雖然GPS也可以讀取高度參數,但數據刷新率不夠理想,可能會導致無人機高度掉落,所以現在專業無人機一般都采用氣壓計來讀取高度參數(原理很簡單,大氣壓是隨高度變化而變化的)。

  剩下的事就交給飛控了,它會通過負反饋(高了就調低,遠了就調近)的自動控制方式來讓無人機穩定在預設的坐標點上進行懸停。

  另外,如果沒有GPS信號(天氣不好,搜不到衛星的情況也比較常見),無人機也可以依靠自身的IMU(慣性單元)來實現姿態飛控模式,憑借飛控員的手動操作,讓它到達預定位置進行懸停。大疆的“悟”系列高端產品在沒有GPS信號的室內可以通過超聲波傳感器和攝像頭進行“視覺定位”,在同類產品中比較突出。

  而懸停精度方面,像大疆精靈2這類產品水平精度可達2.5m,垂直精度可達0.8m(最高端的“悟”系列也只是把垂直精度提升到了0.5m)

  超聲測距

  通過超聲波發射裝置發出超聲波,根據接收器接到超聲波時的時間差就可以知道距離了。這與雷達測距原理相似。 超聲波發射器向某一方向發射超聲波,在發射時刻的同時開始計時,超聲波在空氣中傳播,途中碰到障礙物就立即返回來,超聲波接收器收到反射波就立即停止計時。(超聲波在空氣中的傳播速度為340m/s,根據計時器記錄的時間t,就可以計算出發射點距障礙物的距離(s),即:s=340t/2)

  超聲波指向性強,在介質中傳播的距離較遠,因而超聲波經常用于距離的測量,如測距儀和物 位測量儀等都可以通過超聲波來實現。利用超聲波檢測往往比較迅速、方便、計算簡單、易于做到實時控制,并且在測量精度方面能達到工業實用的要求,因此在移 動機器人的研制上也得到了廣泛的應用。

  為了使移動機器人能自動避障行走,就必須裝備測距系統,以使其及時獲取距障礙物的距離信息(距離和方向)。本文所介紹的三方向(前、左、右)超聲波測距系統,就是為機器人了解其前方、左側和右側的環境而提供一個運動距離信息。

  為了研究和利用超聲波,人們已經設計和制成了許多超聲波發生器。總體上講,超聲波發生器可以分為兩大類:一 類是用電氣方式產生超聲波,一類是用機械方式產生超聲波。電氣方式包括壓電型、磁致伸縮型和電動型等;機械方式有加爾統笛、液哨和氣流旋笛等。它們所產生 的超聲波的頻率、功率和聲波特性各不相同,因而用途也各不相同。目前較為常用的是壓電式超聲波發生器。

  GPS如何定位水平位置和垂直高度?

  GPS定位,實際上就是通過四顆已知位置的衛星來確定GPS接收器的位置。

  如上圖所示,圖中的GPS接收器為當前要確定位置的設備,衛星1、2、3、4為本次定位要用到的四顆衛星:

  Position1、Position2、Position3、Position4分別為四顆衛星的當前位置(空間坐標),已知d1、d2、d3、d4分別為四顆衛星到要定位的GPS接收器的距離

  1、位置信息從哪里來?

  實際上,運行于宇宙空間的GPS衛星,每一個都在時刻不停地通過衛星信號向全世界廣播自己的當前位置坐標信息。任何一個GPS接收器都可以通過天線很輕松地接收到這些信息,并且能夠讀懂這些信息(這其實也是每一個GPS芯片的核心功能之一)。這就是這些位置信息的來源。

  2、距離信息從哪里來?

  我們已經知道每一個GPS衛星都在不辭辛勞地廣播自己的位置,那么在發送位置信息的同時,也會附加上該數據包發出時的時間戳。GPS接收器收到數據包后,用當前時間(當前時間當然只能由GPS接收器自己來確定了)減去時間戳上的時間,就是數據包在空中傳輸所用的時間了。

  知道了數據包在空中的傳輸時間,那么乘上他的傳輸速度,就是數據包在空中傳輸的距離,也就是該衛星到GPS接收器的距離了。數據包是通過無線電波傳送的,那么理想速度就是光速c,把傳播時間記為Ti的話,用公式表示就是:

  di=c*Ti(i=1,2,3,4);

  這就是di(i=1,2,3,4)的來源了。

  3、為什么需要4顆衛星

  從理論上來說,以地面點的三維坐標(N,E,H)為待定參數,確實只需要測出3顆衛星到地面點的距離就可以確定該點的三維坐標了。但是,衛地距離是通過信號的傳播時間差Δt乘以信號的傳播速度v而得到的。其中,信號的傳播速度v接近于真空中的光速,量值非常大。因此,這就要求對時間差Δt進行非常準確的測定,如果稍有偏差,那么測得的衛地距離就會謬以千里。而時間差Δt是通過將衛星處測得的信號發射時間tS與接收機處測得的信號達到的時間tR求差得到的。其中,衛星上安置的原子鐘,穩定度很高,我們認為這種鐘的時間與GPS時吻合;接收機處的時鐘是石英鐘,穩定度一般,我們認為它的時鐘時間與GPS時存在時間同步誤差,并將這種誤差作為一個待定參數。這樣,對于每個地面點實際上需要求解就有4個待定參數,因此至少需要觀測4顆衛星至地面點的衛地距離數據。

  氣壓計測量高度原理:

  工作原理是將輸入信號(壓力)轉換為電阻變化,即通過惠斯登電橋架構的壓阻式壓力傳感器感應施加在薄隔膜上的壓力。壓力傳感器的一個重要參數是靈敏度,高分辨率的小型壓力傳感器使得氣壓計/高度計應用得以在移動終端中實現,比如在導航儀上面,可以通過高度計能夠準確判斷出位置是在橋上還是橋下。

  惠斯登電橋(Wheatstone Bridge)是用于精確測量中值電阻(10—105W)的測量裝置。最簡單直接的測量電阻的方法是伏安法。用伏安法測量電阻時,通過測出流經電阻R 的電流 I 和電阻兩端的電位差 V ,依據歐姆定律 R=V/I 即可求出被測電阻值。但這種方法存在較大的測量誤差。由于電表本身具有內阻,不論采用電流表內接還是外接,都不能同時準確測出流經電阻的電流 I 和電阻兩端的電位差 V ,因而不可避免地存在線路本身的缺陷帶來的誤差,這個誤差被稱為電表的接入誤差。電表的接入誤差是一個可定系統誤差,如果我們能夠事先確定電流表或電壓表的內阻,就可以通過加修正值的辦法消除此誤差。然而,伏安法測量中使用的電流表和電壓表精度都不可能很高(電表的準確度等級最高為0.1級),由儀器誤差限制帶來的測量不確定度是無法減小的。舉例來說,如果電流表和電壓表都是0.5級,被測電流和電壓都是接近電表量程的二分之一,僅由于電表準確度等級限制帶來的測量誤差便可能達到1.5%。

  用電橋法測電阻,實質是把被測電阻與標準電阻相比較,以確定其值。由于電阻的制造可以達到很高的精度,所以電橋法測電阻可以達到很高的精確度。

  電橋分為直流電橋和交流電橋兩大類。直流電橋又分為單臂電橋和雙臂電橋。惠斯登電橋是直流電橋中的單臂電橋;雙臂電橋又稱為開爾文電橋(Kelvin Bridge),適用于測量低電阻(10-6—10W)。由于電橋測量法比較靈敏、精確、使用方便,它已被廣泛地應用于電工技術和非電量的電測法等方面。

  


免責聲明:尊重合法版權,反對侵權盜版,若本網有部分文字、攝影作品等侵害了您的權益,在此深表歉意,請您立即將侵權鏈接及侵權信息郵件至我們的版權投訴郵箱:[email protected],我們會盡快與您聯系并解決,謝謝您的配合.

網友評論
文明上網,理性發言,拒絕廣告

相關資訊

關注官方微信

手機掃碼看新聞

河北时时彩走势图开奖结果