小型无人直升机通信系统的设计与实现

通信系统是无人机系统中最重要的组成部分之一,为了实现小型无人直升机稳定可靠的全自主飞行控制,设计并实现了基于WIFI并运用UDP协议和SOCKET通信机制的无人机系统实验数据链,在此基础上,基于无线射频模块和WIFI,实现了用于无人机运营阶段的远程飞行数据链;首先介绍无人机的通信系统框架,再对无人机实验数据链和远程飞行数据链的数据通信协议及软硬件实现进行详细说明;该通信系统有充裕的数据载荷,数据下传和上传延迟满足系统实时显示和控制要求,可在无人机平台上稳定可靠运行.     

LDPC码在COFDM无人机数据链中的性能仿真

为了满足未来无人机数据链高速数据的高质量传输需求,综合OFDM技术可提高频谱利用率、抗多径干扰的特点和LDPC码高效高性能的优点,本文将LDPC-COFDM作为解决方案应用于无人机通信中。考虑无人机信道的时变多径衰落和强多普勒频移特性,给出了COFDM无人机数据链系统模型,进一步针对无人机飞行状态典型信道参数值,仿真了LDPC-COFDM系统的误码率性能,并与基于卷积码的COFDM系统进行比较,结果表明COFDM可以明显的提高无人机数据链系统的可靠性,此外,LDPC-COFDM系统在较低的信噪比条件下就可以达到很低的误码率,从而有效地节省了无人机发射功率。     

小型无人直升机点对点数据链系统设计

无人直升机远距离飞行需要安全可靠的数据链传输系统,以Compulab公司的嵌入式核心板CM-t3530为基站的主要硬件载体,通过对无人机遥控器信号、控制器参数和目标队列的数据融合与编码.采用点对点数据链通信协议,设计了数据链通信的消息标准,实现了无人机和地面站的空地数据的实时可靠传输.实验结果表明,点对点数据链系统能够有效解决远距离通信不可靠的问题,能够满足无人直升机远距离飞行的要求.     

美国海海军无人机发展历程

先锋无人机的辉煌战绩 吸取美军在黎巴嫩及格林纳达军事行动的经验教训,美国海军认为应立即加强对岸上目标的侦察能力,1985年7月,海军部长下令研究用无人机装备军舰的可行性,发出招标公告。8年5并12月,锋先（Pioneer）无人机中标。先锋人机是由以色列IAI公司在猛犬（Mastiff）及侦察兵（Scout）无无人机基础上研制的,1985年4月,它与美国AAI公司合作生产。从1986年7月开始,美国先后购买了9个RQ-2A先锋无人机系统,海军4个,海军陆战队3个,陆军1个,另一个供训练使用,同时,海军还将几艘两栖攻击舰和4艘战列舰作了相应地改造,使先锋无人机可从舰上发射、控制及回收。一个先锋无人机系统包括5架无人机,5个昼用电视摄像机负载,4个前视红外负载,一个地面控制站,一个跟踪通信装置,一个便携式控制站及4个分开的遥控接收站。先锋无人机由军舰上起飞时利用火箭助推器助推,用回收网回收。无人机可以遥控方式或预编程序方式飞行,起降用遥控方式。其数据链路由视距内C波段上行及下行链路及UHF(超高频)备用链路构成。跟踪通信的距离为185公里,其精度在40公里时误差不超过50米。若数据链路中断,无人机可按预编程序飞行。地面控制站可以车载也可放在军舰上,它既可控制无人机的飞行,也可控制无人机负载的工作。     

小型无人机数据链与自主飞控系统设计

介绍了小型无人机的组成与总体结构．研究了无人机自主飞行控制系统、数据链、起飞和着陆系统设计方案，采用嵌入式系统和GPS实现了无人机的自主飞行控制和目标自动搜索与识别。     

面向监控的井下无人机集群系统与关键技术

井下监控系统通常是固定布设且布设范围有限,难以完全满足井下安全生产的动态监控需求,且井下单架无人机因无线通信距离有限,导致其监控能力较弱。针对上述问题,提出了一种面向监控的井下无人机集群系统,并从井下无人机集群飞行与规避协同控制、数据链组网、矿井巷道环境地图创建、井下无人机姿态与位置估计、动态障碍物检测、路径规划等方面详细介绍了系统实现的关键技术。地面调度中心通过设置在井下监控分站的网关节点向井下无人机集群发布调度命令,井下无人机编队采用"一"字形队列沿矿井巷道集群飞行,在进入指定区域后通过所搭载的视频传感器与环境监测传感器对井下指定区域进行监控,并通过多无人机协作方式将所监测的视频信息与环境参数传输到井下监控分站,实现对井下目标区域的自主动态监控。井下无人机集群系统具有覆盖范围广、监测能力强等优点,通过协同控制多架井下无人机提高了监控效率,通过无线多跳的方式解决了井下无人机单架平台无线通信距离受限的问题,有利于监测与控制信息的传递。     

概率视距空地信道下的无人机安全通信优化设计研究

考虑在物理层保障无人机多用户通信系统的信息传输安全,一架无人机与多个地面用户进行通信,存在一个地面窃听者尝试窃取无人机发送给用户的机密信息。研究将无人机与地面节点之间的空地信道建模为更符合实际的概率视距信道,在满足无人机飞行条件约束和离散的用户调度约束下,通过联合设计无人机的三维飞行轨迹和用户调度来最大化用户的最小平均安全速率。为求解该模型下的安全通信优化设计问题,首先将其解耦为三个子问题,然后利用整数松弛和连续凸近似方法分别求解三个子问题,最后利用块坐标下降法求出无人机的三维飞行轨迹;在此基础上,根据飞行过程中得到的瞬时信道状态信息,提出无人机飞行速度和用户调度实时优化算法。该算法将优化问题建模为线性规划问题,并用内点法求解。仿真结果表明,与已有基准算法相比,基于概率视距信道模型优化无人机的飞行轨迹可显著提升系统的安全速率,所提的飞行速度和用户调度实时优化算法可进一步提升安全速率性能。     

具有JTIDS接口的无人机仿真系统

建立了一个具有联合战术信息分发系统接口的无人机仿真系统.在该系统中建立了某型无人机的动力学仿真模型,其气动系数均通过风洞试验获得,并采用单纯形调优法求取无人机初始状态;设计了控制无人机姿态和控制飞行轨迹的内外环控制系统模型;根据联合战术信息分发系统特性,采用模块化方法建立了联合战术信息分发系统接口,使操作员能通过仿真数据链对无人机动力学模型进行任务控制和状态监视.最后进行了虚拟任务仿真试验,结果表明该系统可以满足一定的战术任务需求.     

面向图像三维重建的无人机航线规划

随着无人机技术的发展,无人机序列影像三维重建越来越受到人们的关注。为完整重建任务区域的三维模型并减少无人机飞行功耗,提出一种面向图像三维重建的无人机航线规划算法。针对凸多边形任务区域,在图像重叠度和时间连续性的要求下,基于光栅法规划扫描航线并结合最佳扫描方向使得转弯次数最少。借助Gazebo仿真平台,对比验证了无人机按照该算法规划的航线飞行时功耗更小,且拍摄得到的序列影像能够重建任务区域三维模型。     

四旋翼无人机飞行过程孪生仿真研究

为了满足无人机在实际飞行过程中的虚实交互、实时响应和精确控制等要求,以四旋翼无人机的飞行过程作为任务需求,提出基于数字孪生技术的四旋翼无人机飞行过程仿真研究。搭建了四旋翼无人机飞行数字孪生系统架构,分析了数字孪生体仿真数据的流向及其作用,并对四旋翼无人机飞行数字孪生系统的功能和意义进行了介绍。从几何、物理、行为和规则等四个方面融合构建了四旋翼无人机的数字孪生体模型。最后进行了四旋翼无人机巡航过程的案例研究,通过仿真案例中的各项参数分析,考察了虚实无人机之间的交互性,证明了数字孪生体模型的精确性,验证了四旋翼无人机飞行数字孪生系统的可行性。     

多旋翼无人机地面控制站软件系统设计与开发

针对多旋翼无人机自主飞行实时监控需求,开发了一套完整的多旋翼无人机地面控制站软件系统;根据多旋翼无人机地面控制站软件总体设计分析,基于功能模块化思想,分别设计并实现了飞行监控、飞行任务管理、二维与三维结合的导航电子地图以及数据库技术等功能,为无人机的实时监控提供了有力保障;地面控制站软件系统的三个用户主界面简约美观,能够实时切换,便于地面操作员对无人机的飞行监管;最后,通过某型多旋翼无人机的飞行作业,对地面控制站软件系统进行了全方位测试;实验测试有效地证实了该地面控制站软件系统具有完善的监控功能,操作简便,完全满足无人机地面控制站需求,已经作为标配软件提供给用户使用。     

一种高吞吐量的无人机轨迹规划方法

无人机由于具有完全可控的移动性以及快速部署等优点,成为无线通信领域的研究热点。研究一种无人机支持的多播信道,利用无人机作为移动发射机向多个地面节点发送信息,在无人机的有限任务通信时间内,设计一种连续圆飞行轨迹方法。面向随机分布的多个地面节点,设定距离阈值对地面节点进行分组,通过求解新型旅行商问题确定无人机对各个分组的通信顺序,在满足无人机与地面节点通信覆盖需求的情况下,对圆心、无人机的飞行速度以及飞行半径进行求解,确定各个分组的圆形飞行轨迹,进而生成连续圆飞行轨迹。为实现吞吐量最大化目标,基于连续圆轨迹,在轨迹、功率一定情况下进行功率和轨迹优化,并通过交替联合优化无人机轨迹和功率以提高无人机对地通信系统整体性能。仿真结果表明,与基准方案相比,该方法系统吞吐量明显提高。     

三维虚拟地形仿真技术辅助无人机起降和飞控

大型固定翼无人机在起飞降落阶段,需要由人工进行遥控飞行。传统的由"二维地图+虚拟仪表+机载摄像机"组成的飞控系统,普遍存在数据反馈不够直观,操控体验差等问题。通过采用三维虚拟地形仿真技术,建立了精确的机场周边及任务区域三维虚拟地形,并且将现实中的无人机飞行数据实时同步到虚拟场景中的虚拟无人机上。为无人机操控员提供了一种更加直观、方便的操控视角。在因为天候不佳或其它原因失去机载摄像机画面时,可以大幅降低操控失误的风险。此功能以辅助设备的形式接入现有飞控系统,无需对现有系统进行改造。独立性强,部署方便。     

无人机数据采集EKF滤波悬停稳定的研究与应用

许多国内外的研究机构致力于四旋翼无人机飞行控制姿态和高度悬停稳定的研究,以实现四旋翼无人机的自主飞行。四旋翼无人机是一种多输入、强耦合、多变量、欠驱动的系统,其稳定性、数据传输的可靠性、精确度、实时性对飞机性能起着决定性的作用。针对四轴无人机悬停运动测试环节中不稳定的影响,基于已有的无人机平台,最新科研前沿的文献,以ARM嵌入式系统作为上位机,设计了一个无人机数据采集的扩展卡尔曼滤波器(EKF),结合二次型最优控制预估气压计最优初始矩阵值进行开源编程。从扩展卡尔曼滤波器的建立与优化,原程序气压计程序严谨的探讨、衔接和写入飞控,最终在软件匿名科创地面站上,通过无人机对气压计大量实时悬停数据采集,实验仿真进行滤波图形对比验证和无人机实际运行的稳定性分析表明,提出的无人机数据采集扩展卡尔曼滤波方法效果良好,具有良好的应用和推广价值。     

基于Multigen的无人机任务飞行仿真系统

介绍基于Multigen仿真软件Multigen Creator, Creator Terrain Studio和Vega Prime的无人机任务飞行仿真系统,在Vega Prime中建立无人机的飞行控制运动函数,实现无人机模型在虚拟仿真场景中的六自由度运动。基于.NET 2003环境下多线程编程技术和SBS网络数据传输,实现该系统的实时应用。仿真结果表明该系统能较好地模拟无人机作战飞行任务。     

Unmanned Aerial Vehicle Security Using Recursive Parameter Estimation

The proliferation of Unmanned Aerial Vehicles (UAVs) brings about many new security concerns. A common concern with UAV security is for an intruder to take control of a UAV, which leads for a need for a real time anomaly detection system. This research resulted in a prototype UAV monitoring system that captures flight data, and then performs real time estimation and tracking of the airframe and controller parameters. The aforementioned is done by utilizing the Recursive Least Squares Method (RLSM). Using statistical validation and trend analysis, parameter estimates are critical for the detection of cyber attacks and incipient hardware failures that can invariably jeopardize mission success. The results demonstrate that achieving efficient anomaly detection during flight is possible through the application of statistical methods to profile system behavior. The anomaly detection system that was designed can be performed in real time while the UAV is in flight, constantly verifying its parameters.     

基于区域分割的无人机路径规划

研究无人机路径规划优化问题,针对在城市环境下执行飞行任务前,需要根据所经城市内已知的建筑物信息以及飞机本身性能的限制计算出飞行轨迹,并根据规划出的路径完成飞行任务。在给定起始点和目标点上,提出了一种城市建筑物遮挡模型的无人机路径规划方法。主要包含两方面的内容:一是利用圆柱虚拟城市建筑物环境使建筑物对无人机的遮挡面积可计算;二是在计算出无人机飞行的水平平面上(x,y)点遮挡值的基础上,给出了无人机搜索区域等分的沿对角线折线走法的优化路径规划,得到一条遮挡面积最小的路径并进行仿真。仿真结果表明,规划方法能够快速有效地完成规划任务,获得满意的航迹,为无人机优化路径提供了依据。     

无人直升机控制系统探索

无人直升机飞行距离远,隐蔽性好,起飞着陆场地小,可方便地起降,又可在空中作悬停飞行,因此在军事和民用方面有着广泛的用途。控制系统是无人机的核心,先进飞机的控制技术是实现自主控制的最主要的支撑技术之一。本文对无人直升机的控制系统的构成及工作过程进行了概括介绍,对无人机控制系统整体设计思路进行了探索。     

无人机模糊飞行控制器设计

近年来,无人机凭借其各种优势,受到了各国越来越多的关注;飞行控制系统是现代无人机的核心,其控制律设计结果对无人机飞行特性的影响至关重要,决定无人机是否能够满足自主飞行要求;为了获得更好的控制效果,保证无人机能更好地适应复杂环境和任务,在常规模糊控制方法的基础上引入修正因子和积分抑制策略,设计出了一种模糊飞行控制器;仿真结果表明,该控制器具有较好的控制效果和较强的鲁棒性,较一般的模糊控制系统具有控制速度快、精度高、鲁棒性强等特点,更能适应无人机的特殊要求.