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标题: 一种可变形飞行器的无人机控制系统设计与实验（上） [打印本页]

作者: forsuccess 时间: 2013-9-13 23:43 标题: 一种可变形飞行器的无人机控制系统设计与实验（上）

摘要：飞控系统是无人机的核心，无人机的外部架构对其性能的影响也很重要。为了提高无人机系统性能，给出一种无人机控制系统设计并进行了实验。文章在介绍变形飞行器和飞控系统功能要求的基础上，给出了基于芯片LPC2148的硬件设计，介绍了各个硬件部分的功能、软件架构和控制规律的选择与设计，详细介绍了实验的准备工作和实际飞行情况，给出了软件调试流程图，分析了调试结果。经过多次飞行试验，表明系统的设计是适合实验中的可变形飞行器的，并且合理可靠，能够完成预期的飞行任务，具有较好的实用性。
关键词：变形飞行器；飞控系统；无人机；地面控制站；实验

0 引言
无人驾驶飞行器简称无人机(UAV)，是一种由动力驱动、无人驾驶和可重复使用的航空器。无人机因其成本低、效率好、应用灵活、危险系数小等优点而广泛应用于侦查、目标指示、生化武器探测、电子干扰、航空摄影、水灾监视等军事和民用领域。
随着国家现代化和国防事业的发展，单一飞行模式的飞行器(运输机、战斗机、旋翼机、火箭、导弹、无人机、飞艇、空天往返飞机等)已经难以满足不断增长的需求。新一代空天飞行器从地面或运载平台上起飞，可以穿越大气层飞行，执行各种任务使命，其飞行环境(高度、飞行马赫数等)变化很大。固定外形的飞行器很难适应如此广泛的环境参数变化，保持优良的性能。为了适应更加宽广的飞行空域和速度范围变化，需要发展一种能随着外界飞行环境自适应地改变飞行器外形、始终保持优良飞行性能的“智能变形飞行器”。
无人机控制系统的核心部件为机载飞控系统和地面控制站。飞控系统实现对无人机的自主飞行控制；地面控制站实现对无人机遥控，航迹规划，改变飞行计划，通信联络等任务。地面站同时完成接收、处理、发送信息的任务。

1 飞控系统功能要求
保持无人机按照预定飞行计划飞行，并且能根据地面指令及时调整姿态和飞行；对扰动具有抗干扰性，能及时从扰动中调整和恢复正常飞行；并且具有较小的体积和重量，保证无人机的飞行效率和足够的飞行时间。对飞控系统的具体要求为：能完成飞行控制信号输出，控制升降舵机、方向舵机、发动机油门舵机和副翼舵机；对当前飞行状态信息的采集，包括航向、姿态、高度、速度；通过串口接受GPS信息；地面控制站和飞控系统通过数传电台进行数据传输；能够在遥控飞行和自主飞行间切换。

2 变形飞行器机构和变形控制
飞行控制器根据飞行任务和飞行条件的要求，确定副翼变形频率，使变形速度既满足任务需求，又对飞行产生的不利影响最小，而变形过程中机翼的转动会对飞行器的气动力产生影响，气动布局的改变使其稳定特性受到影响。所以合理选择变形飞行器，变形控制算法的设计和布置内部硬件显得尤为重要。
本设计采用的变形飞行器结构为仿F-14模型，如图1。

该模型特点如下：一是机翼结构为后掠角可变，二是全动尾翼结构，机体横侧向滚转灵活。

3 机载飞控系统结构图总体设计
我们采用开源网站开发设计的机载飞控系统飞控板，系统设计如图4所示。

3．1 系统芯片介绍
LPC2148是基于一个支持实时仿真和嵌入式跟踪的32位ARM7 TDMI-S CPU的微控制器，并带有32kB和512kB嵌入的高速flash存储器。该芯片可以配置GPS、红外传感器等外部设备来达到我们预期的飞行目的。3．2 传感器
系统采用三对红外姿态传感器判断自身姿态。其原理如图5所示。

由于天空和大地之间的温差，它们的红外辐射波长有差别。系统采用的红外传感器对8～15μm波段的红外辐射敏感，这正是天空和大地的一般热辐射波长，因此传感器不会被过热(如太阳)或过低温度的物体影响。由一对热电堆产生的反向电压经过放大器放大，再经过模数转换，即可显示为代表无人机某一方向姿态角的数值。
一般采用三对红外传感器。其中垂直方向传感器的作用是初始化天空与大地的温差，以确定水平方向传感器的计算比例。水平方向则有横向和径向两对传感器，分别计算滚转和俯仰角度。
3．3 GPS
全球定位系统GPS采用LEA-5H，它的体积小、性能好，位置更新频率为4Hz。LEA-5H与系统串行接口相连，获取无人机的飞行速度、高度、经纬度等信息实现实时导航控制。
3．4 调制解调器
调制解调器采用Digi的XBee模块，XBee的双向链路给飞行中的调整、导航指令传输和飞行状态反馈提供通道。XBee的射程达到40km，所有型号的引脚兼容，和天线一起重量约为2g。
3．5 遥控模块
遥控模块包括遥控指令发送机和接受机。遥控指令发送机采用Spektrum DX-7，接收机采用FutabaFASST 7-channel接收机。发送机发送遥控指令，接收机接收遥控指令，并将指令传送给系统芯片。

4 软件
软件架构采用基于UML语言的仿真软件。UML可以对任何具有静态结构和动态行为的系统进行建模，能够应用于软件系统开发从需求分析到软件测试的各个阶段，适用范围极广。
4．1 飞行仿真配置
飞行器在实际飞行前需要验证飞行算法，对飞行仿真进行相应的配置，如图6所示，主要分为四大部分：飞行器基本参数、初始状态参数、初始控制参数、模型与仿真选项。

4．2 飞行仿真平台
飞行仿真平台实时观测飞行器的位置、俯仰角、滚转角、偏航角等信息。平台负责飞行中对无人机进行实时控制和监测。

5 控制规律选择与设计
工程实际中PID控制器应用最为广泛，本设计采用PID控制器。
5．1 俯仰姿态控制回路
俯仰姿态控制回路保证飞行器俯仰角在扰动后能以一定的性能保持或者稳定到给定值。该控制回路由俯仰角反馈回路和俯仰角速率反馈回路构成。

5．2 滚转角控制回路
滚转角控制回路的主要作用是当飞行器飞行过程中受到外力时，能够使飞行器保持固有的滚转角的控制，飞行器改变方向时也需要滚转角控制回路的辅助配合。

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