无人机应用与测量

彭显华

姓名：彭显华
学号：20205606100223
无人机稳定控制和导航的最基本、最核心的参数之一是 姿态角。传统姿态测量方法主要是惯性测:量系统，但由于其硬件统设计复杂，成本较高，陀螺仪在长时间工作时还存在累积误差，因此，想低成本地完成无人机自主控制仍旧比较困难考虑红外温度传感器能感知天空地而间的热辐射的特点，本文提出一种新型的测量 姿态信息的方法，相比传统姿态测量系统，有体积小、重量轻、成本低等特点。采用新型的ARMCortex-M3内核微处理器STM32F 103ZET6作为处理单元，使用两对红温度传感器对飞机的俯仰和横滚信息进行姿态捕获，实验表明:该方法能有效满足-般无人机姿态测:量的需求。

硬件设计

飞机的稳定性是飞机设计中最为重要的参数，它直接表征飞机在受到扰动后恢复到原始状态的能力。其中，‘飞k机的稳定包括纵向、横向和航向稳定性，分别反映俯仰、滚转及方向的稳定特性。本文所设计的基于红外传感原理的无人机姿态测量统是无人机飞行控制系统的重要组成部分之- -，主要针对飞机~ 飞行中在纵向和横向稳定性的控制。主要由红外传感器、气压感器、处理器、执行机构、遥控接收机、电台等部分组成。其中处理器作为数据处理和“飞行控制的核心，主要完成采集各只感器的数据，对数据进行综合处理并解算出-飞机的姿态，从而实现对飞机稳定飞行的控制。综合数字信号处理能力和体积大小，选择性价比较高的STM32F103ZET6型微处理器作为主控模块，可使用其内部A/D转换口接收信息，经计算产生多路PWM信号驱动执行机构，用以调整飞行姿态。传感器单元包括两对红外传感器和气压传感器构成，主要完成对飞行中的姿和高度信息的采集。地而控制用以稳定-飞行中的模式切换和危险保护。

二、红外传感器设计

1、MLX90247型红外线温度传感器

ML X90247型红外线温度传感器是由集成电路组成并且能够检测很小的热量辐射，包括热吸收区(热端)、硅基片(冷端)乃外封装组成。基本工作原理类似于普通的热电偶原理，也即吸收红外线能量后输出一个与温度呈相应比例的电压信号。有效知-20-85°C的温度变化范围，视角范围约1000C,使其可探测视角范围内所有物体的温度值，距离为无穷远。在探头附件放滤光片后可有效反射太阳光等其他波长的光线，大大提高了飞行中的抗干扰能力。

2、红外传感器设计

红外温度传感器测量姿态的主要原理是根据地而与天空的温度差来估计无人机的倾斜程度，亦即无人机的姿态信息。天空的温度比地而的温度低，在没有干扰的情况下，2只红外温度传感器反方向放置在同一水平而，其两端感知到的视角内温度值相同口。当倾斜使得左端偏向地而，右端偏向天空，这样将测得左边传感器温度远远高于右边，即可计算出倾斜角度大小。

结合红外传感器良好的视场角范围并基于.上述原理，设计由两对红外温度传感器组成的红外线平衡系统，水平安置于机且与机翼中心轴线成450，综合测量无人机俯仰与横滚信息。当飞机水平飞行时，两对相反放置的传感器感知到相同温度,出电压值也相同，处理器判断此时的电压差为基值电压，飞行状态为稳定。 而当飞机不稳定飞行时，两端感知温度不同，的电压差也不处于基值电压，此时电压差值由处理器A/D转换后进行判断飞行姿态，进而通过向舵机输出PWM信号做出相应的调整。

基于_上述原理设计的红外传感器板，电路使用SV供电并由2.5V作为基准电压，这样传感器水平放置输出理论为2.5V,倾和负倾分别向OV和SV电压靠近。设计的红外传感器板通过实验寻找出温度与倾角间的关系，确定相应的函数模型。实验器主要有水平转台、红外传感器板、万用表等。选择户外开阔的场地，避免其他干扰热源的影响，分别在不同温度，不同时段进行测量。将水平传感器固定于转台上，测量从-900-90。 范围间，每旋转10。 记录-次数据，由于飞机大部分处于稳定行状态，故在-500-50。范围间，每旋转5。记录- -次数据。 由多组实验数据，绘出散点图并进行曲线拟合。图中A是天阴，度为40C;B是天晴，温度为60C;C是天阴， 温度为90C;D是天晴，温度为100C。由大量数据绘成的曲线图可看出，单对红外感器其倾角与电压存在函数关系式

三、机载实验

为了验证上述算法与相关理论，将红外传感器与传统|MU一同安装在小型固定翼无人机上进行机载飞行实验。实验场地择空旷的操场以避免地而其他热源干扰，气候适宜，正午晴天15°C时。其中，1#实线是红外传感器测量数据，2#实线是IM