探究小型无人机的航电系统相关设计

余兰 谢瑞朋

摘要：随着科学技术的不断发展进步，小型无人机的发展越来越快，其应用也越来越广泛。航电系统在小型无人机能够实现无人自主飞行中发挥着至关重要的作用。本文主要通过介绍小型无人机航电系统的主要构成、机载传感器以及控制飞行的计算机的方案设计以及分析讨论了整个航电系统的可靠性等方面对小型无人机的航电系统的设计做出了研究和分析。

关键词：小型无人机；航电系统；相关设计；

小型无人机由于具备飞行灵活、体积小、不会造成人员损伤等方面的优点，其在生活中被应用的越来越广泛，比如：地震灾区勘探、巡视边境、交通检查、通讯检查、喷洒农药等等警用、民用以及军用的各个方面。航电系统是小型无人机能够自主飞行的基础部件也是必不可少的部件。小型无人机由于受到载重能力以及具体成本的影响，其对自身的航电系统在体积大小、能耗多少以及本身的重量等方面有着极其苛刻的要求。现阶段国内外的小型无人机的航电系统大多是采用商业用的通过惯性来测量的单元构成，其优点是可以有效的缩短研发的时间，但是花销很大而且不利于系统重量的减轻，本文主要介绍的是集成式的小型无人机航电系统，其可以有效的降低成本和减轻自身的重量。

一、小型无人机航电系统的主要构成

小型无人机航电系统的主要构成包括：机载的传感器、供电系统、控制飞行的计算机、无线数据传送系统、接收器等。机载的传感器主要是用来收集无人机在飞行时各种状态的数据信息。然后传输给控制飞行的计算机进行分析处理。控制飞行的计算机其主要作用是收集和分析处理各个传感器的数据信息、给无人机提供飞行导航、进行内部的各种算法的运算以及通过无线数据传输模块跟地面基站之间进行通讯交流。

二、机载传感器的设计方案

小型无人机实现自主飛行所需要的速度、方向、具体位置、飞行高度、电机的转速等等的信息都是由飞机上所携带的传感器来提供的。机载传感器的主要组成部件包括：三轴的陀螺器、三轴的加速度器、三轴的磁力器、高度探测声纳器、GPS定位器和转速计量器。

无人机飞机所在坐标的飞行实时角速度数据由三个相互正交位置安装的陀螺器进行测量，由于小型无人机飞行时震动的频率非常高，因此此处选用的陀螺器应具备非常好的抗震动性能；陀螺器的信号信息则是由下级的控制器进行采集，具体的设计选择时应考虑其量程范围和分辨率；同时为了补偿陀螺器与加速度探测器之间的温度差，所选的陀螺器内部最好设置有测量温度用的传感器；飞机坐标系中的比力方面的信息是由三轴的加速度测量器来具体测量的，选择具体型号时应考虑无人机的震动幅度，一般无人机的振幅在1g左右，因此加速度测量器的量程在±6g便足够。通常情况下，下级的控制器对各个传感器信息的采集频率为50HZ，为了避免假的频率对数据收集的干扰，通常陀螺器和加速度器输出的模拟信号在经过模拟滤波器将其过滤到8HZ时再进行采样。

地磁场测量的工作是由航电系统中的磁力器来完成的，这里介绍一种比较实用的磁力器：HMC1021/1022磁力器，其属于Honeywell旗下的产品，该型号的磁力器工作时可以将地磁场的具体强度大小转化为毫伏级别精度的差分电压进行输出，然后经由AMP04电压放大器将这个毫伏级的电压进行放大后进行AD采集，介于AMP04的功能限制，为了防止无线数据传输的900MH的电磁噪音的干扰，磁力器测量的信息需要事先进行低通的滤波操作。另外，HMC102/1022将复位和置位功能进行了有效的集成，这样可以有效的减少甚至消除非线性的误差、交叉轴之间的影响以及因高强度磁场存在而引起的信息丢失，在系统具体的实现过程中，复位和置位的操作都是在数据信息收集完后进行的[1]。

GPS是用来测量无人机的具体位置、飞行速度和飞行时间的，考虑到功能和成本的要求，这里主要介绍OEM4 G2L和Superstar II两种系统模块，这两种系统模块之间可以借助与连接板来实现互换，OEM4 G2L系统模块可以实现高定位精度和高机动性能的飞行，而在对成本要求较高的情况下则可以选用Superstar II系统模块。

高度测量声纳器可以进行无人机高度的精确测量，主要用于无人机的起飞以及落地阶段，这里主要介绍SRF08声纳高度测量器，其具备重量轻、能耗低成本小的特点，同时它的精度可以达到0.01m的分辨率。我们需要注意的是，在存在复杂的反射平面的特殊场合比如多草地，声纳高度测量器会出现由于反射面多而导致反射信息复杂而产生检测误差的情况，现如今，比较好的解决方案是对声纳发射的信息进行降频操作使其频率到1HZ左右来达到提高测量信息准确度的目的。

三、控制飞行的计算机

控制无人机飞行的计算机主要由PC104和其下级的具体控制器组成。PC104的主要作用是采集GPS和下级的控制器的数据以及同地面基站之间的通讯交流，实现无人机飞行的导航运算、飞行控制运算和具体的飞行轨迹运算并将信息传递给下级的控制器，从而实现对无人机的飞行掌控。无人机飞行控制的计算机就相当于无人机的大脑，要实现无人机的准确飞行，就需要控制计算机准确的计算飞行路径，这需要其具备非常高的处理运算能力，这里介绍SCM/SPT2C PC104系统模块做为无人机的飞行控制计算机。这个PC104系统模块的速度可以达到300兆赫兹，它将128兆的RAM、六个RS232连接口和32兆的DOC集成在一起，可以实现对无人机的实时性控制。

四、系统的可靠性分析

小型无人机能否实现安全的飞行其取决于自身的可靠性，因而我们在进行航电系统的相关设计时必须将可靠性放在首位去考虑。在具体的飞行过程中，机身的震动、电机的温度等都会影响到电子设备的正常工作，更严重的还会导致电子设施的失灵和损坏，为了增加航电系统的可靠性，我们需要做一下的措施：航电系统安装盒要采用减震措施安装从而减少震动对信号的影响；主电源与舵机的电源要相互绝对独立，来减少舵机的工作电流变化对航电系统带来不必要的干扰；将要传送的信号实行光耦隔离措施，以保证信号的准确性；介于无线数据传输的功率比较大会对其它的电子模块造成干扰，可以将其安装在无人机的尾部，使其远离其它的电子设备。

综上所述，小型无人机的发展还有很长的路要走，航电系统作为无人机发展的核心部分，我们的设计人员需要加大对其的研究力度，在学习国内外先进的设计理念的基础上，不断的发展自身的创新，为我国小型无人机的不断发展贡献自己的力量。

参考文献：

[1]徐玉.微小型无人直升机航电系统设计与实现[A].中国自动化学会控制理论专业委员会.中国自动化学会控制理论专业委员会B卷[C].中国自动化学会控制理论专业委员会：，2011：5.