基于ARM的嵌入式航空拖靶高度控制器設(shè)計(jì)

摘要：嵌入式系統(tǒng)具有實(shí)時(shí)性好、可靠性高、體積小和功耗低等優(yōu)勢，將該技術(shù)引入新型航空拖靶高度控制器的設(shè)計(jì)，可顯著提高其綜合性能。基于ARM7微處理器和μC／OS-Ⅱ嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)開發(fā)了航空拖靶高度控制器，主要介紹了控制器的組成、原理和軟硬件設(shè)計(jì)過程。原理樣機(jī)的半實(shí)物仿真結(jié)果表明系統(tǒng)響應(yīng)快、控制精度高，能夠準(zhǔn)確控制拖靶做超低空掠海定高飛行，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，控高精度可達(dá)2m。
關(guān)鍵詞：航空拖靶；嵌入式系統(tǒng)；ARM；μC／OS-Ⅱ；高度控制器

0 引言
    航空拖靶是一種由飛機(jī)拖曳飛行的特殊的無人飛行器，一套完整的拖靶系統(tǒng)主要包括拖帶飛機(jī)、收放纜裝置、拖纜和拖靶。其中拖帶飛機(jī)一般為有人或無人駕駛飛機(jī)，收放纜裝置一般為掛裝在飛機(jī)上的電動(dòng)或氣動(dòng)式絞車，拖纜是通過絞車收放的一根長約幾千米而直徑只有幾毫米的鋼纜，拖靶多為外形類似導(dǎo)彈的無動(dòng)力飛行器，由拖纜牽引飛行。主要用途是模擬敵方來襲的導(dǎo)彈類目標(biāo)，為己方對空導(dǎo)彈、火炮等防空武器系統(tǒng)試驗(yàn)或訓(xùn)練提供模擬目標(biāo)。
    隨著技術(shù)的進(jìn)步，現(xiàn)代反艦導(dǎo)彈多采取“超低空掠海飛行”的突防方式。與之相應(yīng)，20世紀(jì)80年代以來，用于模擬反艦導(dǎo)彈類目標(biāo)的航空拖靶，也向著這一方向快速發(fā)展。而這類拖靶都要裝有高度控制器，才能實(shí)現(xiàn)模擬導(dǎo)彈的超低空掠海定高飛行能力。其中，高度控制器是核心設(shè)備，控制精度、實(shí)時(shí)性和可靠性都有較高要求。同時(shí)，伴隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，以應(yīng)用為中心的“嵌入式系統(tǒng)”以其實(shí)時(shí)性好、可靠性高、體積小、重量輕、成本低和軟硬件可裁減等優(yōu)勢，正在被廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。因此，考慮到拖靶高度控制器的設(shè)計(jì)要求與嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用場合非常符合，本文基于ARM7嵌入式微處理器和μC／OS-Ⅱ嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，設(shè)計(jì)開發(fā)了航空拖靶的高度控制器。

1 控制器組成和工作原理
    高度控制器主要由無線電高度表、垂向線加速度計(jì)、控制律解算主板、舵機(jī)驅(qū)動(dòng)控制板及舵機(jī)組成，其中加速度計(jì)、控制律解算主板和舵機(jī)控制板集成在一個(gè)高度控制計(jì)算機(jī)盒內(nèi)，其組成如圖1所示。

    高度控制計(jì)算機(jī)是系統(tǒng)的中樞，它接收無線電高度表信號和加速度計(jì)信號?？刂坡山馑阒靼迨紫葘@2路信號進(jìn)行抗混頻濾波和電平轉(zhuǎn)換等前置處理后送入A／D通道，再進(jìn)行控制律解算，給出升降翼偏角的PWM控制信號至舵機(jī)驅(qū)動(dòng)控制板，經(jīng)舵機(jī)驅(qū)動(dòng)控制板放大輸出驅(qū)動(dòng)舵機(jī)，舵機(jī)驅(qū)動(dòng)升降翼來調(diào)整拖靶的飛行高度。系統(tǒng)每20 ms進(jìn)行一次控制律解算。工作原理框圖如圖2所示。

2 控制器軟硬件設(shè)計(jì)
    高度控制器的設(shè)計(jì)主要包括3個(gè)部分的內(nèi)容：高度控制計(jì)算機(jī)控制律解算主板的設(shè)計(jì)、高度控制計(jì)算機(jī)舵機(jī)驅(qū)動(dòng)控制板的設(shè)計(jì)、傳感器與執(zhí)行機(jī)構(gòu)的選型及配置設(shè)計(jì)。其中，控制律解算主板是整個(gè)系統(tǒng)的核心，因此，全系統(tǒng)的設(shè)計(jì)也是圍繞這個(gè)核心進(jìn)行的。
2．1 控制律解算主板
    (1)硬件設(shè)計(jì)。高度控制律解算板主要功能是在收到開高控指令時(shí)，對接收到的無線電高度表信號和采集到的加速度計(jì)信號以及設(shè)定的飛行高度值按照控制律實(shí)時(shí)解算出升降翼偏轉(zhuǎn)角(周期為20 ms)，并變換成相應(yīng)的PWM占空比送給舵機(jī)驅(qū)動(dòng)控制板實(shí)現(xiàn)對升降翼偏轉(zhuǎn)角控制；同時(shí)還具有裝定拖靶定高飛行高度值、對無線電高度表輸出進(jìn)行調(diào)零、對加速度計(jì)輸出進(jìn)行調(diào)零和比例調(diào)整、對升降翼偏轉(zhuǎn)角進(jìn)行調(diào)零和比例調(diào)整、接收遙控遙測分系統(tǒng)開／關(guān)高控指令和向其實(shí)時(shí)傳送拖靶狀態(tài)參數(shù)等功能?？刂坡山馑阒靼宀捎没贏RM7的嵌入式微處理器設(shè)計(jì)。高度控制律解算板的原理框圖如圖3所示。

    這里所選用的中央處理器是ARM7TDMI-S體系結(jié)構(gòu)的32位微處理器芯片LPC2124。該處理器集成有16 KB的內(nèi)部RAM和128 KB的內(nèi)部FLASH存儲器，這些資源能夠滿足μC／OS-Ⅱ嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的運(yùn)行要求。除此之外還集成有2路UART串口、4路10位A／D轉(zhuǎn)換器、1個(gè)I2C接口、2個(gè)SPI接口、6路PWM輸出以及多路通用I／O口，分別用于與地面調(diào)參器通信進(jìn)行高度裝定及其他參數(shù)的校正、與雷達(dá)高度表通信以獲取高度值、對加速度計(jì)輸出進(jìn)行AD采樣、與小容量的E2PROM芯片進(jìn)行數(shù)據(jù)讀／寫以修改和保存設(shè)置的參數(shù)、控制舵機(jī)工作等功能。選用該芯片可以極大地簡化外圍電路的設(shè)計(jì)，縮小電路板尺寸，提高系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性。
    (2)軟件設(shè)計(jì)。高度控制律解算板中的應(yīng)用程序是運(yùn)行在嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)μC／OS-Ⅱ下，該系統(tǒng)具有可移植、裁剪、源代碼公開、多任務(wù)和基于優(yōu)先級的搶占式任務(wù)調(diào)度等特點(diǎn)，實(shí)時(shí)性好，可靠性高。應(yīng)用程序分解為任務(wù)優(yōu)先級不同的6個(gè)任務(wù)，每個(gè)任務(wù)都是一個(gè)無限循環(huán)程序，任務(wù)間通過信號量、郵箱或者其他事件來傳遞。按任務(wù)優(yōu)先級依次遞減分別是主任務(wù)(目標(biāo)板初始化和建立其他任務(wù)，任務(wù)優(yōu)先級最高)、串口0接收數(shù)據(jù)任務(wù)、串口1接收數(shù)據(jù)任務(wù)、執(zhí)行定高指令任務(wù)、慢速數(shù)據(jù)采樣任務(wù)、串口0發(fā)送數(shù)據(jù)任務(wù)。
    應(yīng)用程序首先運(yùn)行主任務(wù)(見圖4)，在執(zhí)行延時(shí)20 ms等待操作時(shí)操作系統(tǒng)自動(dòng)執(zhí)行較低任務(wù)優(yōu)先級的任務(wù)，在這里即為串口0接收數(shù)據(jù)任務(wù)，這個(gè)任務(wù)的功能是接收遙控／遙測分系統(tǒng)發(fā)送來的指令數(shù)據(jù)或者是調(diào)參器發(fā)送來的其他指令，當(dāng)接收到開高控指令時(shí)則設(shè)置開高控標(biāo)志位，在沒有繼續(xù)收到數(shù)據(jù)時(shí)則執(zhí)行較低任務(wù)優(yōu)先級的任務(wù)，即串口1接收數(shù)據(jù)任務(wù)，這是接收無線電高度表發(fā)送來的高度值并更新相應(yīng)的高度全局變量。執(zhí)行定高指令任務(wù)(見圖5)是由主任務(wù)通過發(fā)送開高控信號量來啟動(dòng)的，當(dāng)串口0接收數(shù)據(jù)任務(wù)設(shè)置了開高控標(biāo)志位后，主任務(wù)便每間隔20 ms啟動(dòng)一次執(zhí)行定高指令任務(wù)，利用上次的解算結(jié)果及當(dāng)前的垂向加速度值和高度值進(jìn)行控制律解算，得出升降翼偏轉(zhuǎn)角并換算為相應(yīng)的PWM占空比送給舵機(jī)驅(qū)動(dòng)板控制舵機(jī)的偏轉(zhuǎn)。慢速數(shù)據(jù)采樣任務(wù)是1 Hz的速率采集靶載蓄電池的電壓、加速度以及無線電高度表等值并更新相應(yīng)的全局變量。串口0發(fā)送任務(wù)是以5 Hz的速率向遙控遙測板發(fā)送拖靶的參數(shù)值，包括靶載蓄電池電壓、加速度值、無線電高度表值、設(shè)定高度值以及解算出的舵偏角值等。下面給出的是主任務(wù)程序框圖和執(zhí)行定高指令任務(wù)程序框圖。

2．2 舵機(jī)驅(qū)動(dòng)控制板
    舵機(jī)驅(qū)動(dòng)控制板和電動(dòng)舵機(jī)以及位置反饋電位計(jì)構(gòu)成了拖靶的舵機(jī)系統(tǒng)。舵機(jī)系統(tǒng)采用雙閉環(huán)即電流環(huán)和位置環(huán)的控制結(jié)構(gòu)。電流環(huán)作為內(nèi)環(huán)，用于抑制轉(zhuǎn)矩和電流的波動(dòng)，減小功放死區(qū)，提高線性度。位置環(huán)是舵機(jī)系統(tǒng)的主回路，目的是保證較好的位置控制精度。由于拖靶自身的穩(wěn)定性較好，故舵回路不采用速度環(huán)，而引入適當(dāng)?shù)奈⒎制?，以改善系統(tǒng)阻尼，提高系統(tǒng)剛度，減小各種非線性因素的影響。舵機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖6所示。

    舵機(jī)驅(qū)動(dòng)控制板包含采用模擬電路實(shí)現(xiàn)的位置調(diào)節(jié)器、電流調(diào)節(jié)器、PWM功放和反饋校正網(wǎng)絡(luò)。考慮到舵機(jī)系統(tǒng)的響應(yīng)速度，位置調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器均采用簡單的比例式調(diào)節(jié)規(guī)律，由模擬集成運(yùn)放AD822AN實(shí)現(xiàn)。位置反饋是舵機(jī)系統(tǒng)的主反饋，升降翼面的定位精度主要取決于位置傳感器的精度。標(biāo)準(zhǔn)電阻是小功率系統(tǒng)中常用的一種電流傳感器，因其簡單可靠、阻值穩(wěn)定、精度高、頻響好、輸出標(biāo)準(zhǔn)電壓直接比例于所通過的電流，因而在PWM系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用，故采用標(biāo)準(zhǔn)取樣電阻作電流傳感器。舵機(jī)驅(qū)動(dòng)控制板圍繞直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)器專用集成電路L292設(shè)計(jì)了其外圍電路，L292是一種PWM直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)器專用集成電路。與線性功放相比，PWM功放具有功耗低、效率高、工作穩(wěn)定可靠等優(yōu)點(diǎn)，尤其是它的動(dòng)力潤滑作用，對減小舵機(jī)死區(qū)，改善靜態(tài)精度和低速爬行非常有利。它的驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)，可達(dá)2A／36V，集成度高，開關(guān)頻率可外部設(shè)定，片內(nèi)設(shè)有過載保護(hù)和欠壓保護(hù)等功能。
2．3 傳感器與舵機(jī)執(zhí)行機(jī)構(gòu)配置
    (1)無線電高度表。采用調(diào)頻／連續(xù)波(FM／CW)體制，工作頻率4 200～4 400 MHz，測高范圍0～300 m。高度輸出形式為232數(shù)字信號或模擬電壓輸出兩種格式，周期為20 ms。兩種輸出格式可通過發(fā)送指令進(jìn)行選擇，這里使用的是精簡格式，一幀數(shù)據(jù)為4 B，前2 B和后2 B表示同一高度值，低位在前，高位在后。
    (2)加速度計(jì)。加速度計(jì)安裝在拖靶的重心位置，集成在高度控制計(jì)算機(jī)機(jī)盒內(nèi)，用于測量拖靶的垂直方向加速度，選用ADXL105AQC加速度計(jì)芯片，精度±1g～±5g，單通道模擬輸出，分辨率2 mg。工作電壓為單電源2．7～5．25 V，具有自檢功能，芯片自帶溫度傳感器模擬輸出，還帶有運(yùn)算放大器，10 kHz的工作帶寬。

    (3)舵機(jī)及執(zhí)行機(jī)構(gòu)。包括力矩舵機(jī)、螺旋傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、搖臂和直滑式位移傳感器。舵機(jī)采用齒輪減速永磁直流力矩電機(jī)，額定轉(zhuǎn)矩0．3 nm，額定電流0．3 A，額定電壓27 V，額定轉(zhuǎn)速(80±8)r／min，空載轉(zhuǎn)速90 r／min。舵機(jī)以螺旋傳動(dòng)方式來操縱舵面，同時(shí)靠搖臂帶動(dòng)直滑式導(dǎo)電塑料位移傳感器反饋升降翼面偏轉(zhuǎn)角度。這里的位移傳感器選用直滑式精密導(dǎo)電塑料電位器做位置傳感器，其行程為3 cm，阻值為2 kΩ，獨(dú)立線性度為0．1％。

3 半實(shí)物仿真實(shí)驗(yàn)及結(jié)果
    在自行開發(fā)的半實(shí)物仿真平臺上，對研制的拖靶高度控制器樣機(jī)進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。拖靶飛行動(dòng)力學(xué)和運(yùn)動(dòng)學(xué)模型、無線電高度表信號、加速度計(jì)信號通過計(jì)算機(jī)模擬，再接入高度控制計(jì)算機(jī)、舵機(jī)等實(shí)物構(gòu)成仿真回路。仿真步長為5 ms，仿真計(jì)算精度為64 b(雙精度浮點(diǎn))。仿真結(jié)果如圖7～圖10所示，本文給出了4種主要干擾條件下的結(jié)果，拖靶裝訂基準(zhǔn)高度為15 m。

    仿真結(jié)果表明，在垂風(fēng)、母機(jī)高度偏差、拖靶初始高度偏差、四級海情產(chǎn)生高度表噪聲影響和加速度計(jì)測量誤差影響的情況下，系統(tǒng)能夠控制拖靶平穩(wěn)進(jìn)入定高飛行狀態(tài)，受到干擾偏離基準(zhǔn)高度后，高度控制器能進(jìn)行快速修正，使拖靶能夠很快回到預(yù)定基準(zhǔn)高度，并按精度要求保持在預(yù)定高度飛行，系統(tǒng)靜動(dòng)態(tài)響應(yīng)指標(biāo)滿足設(shè)計(jì)要求，控高精度均可達(dá)2 m。

4 結(jié)語
    本文采用嵌入式技術(shù)設(shè)計(jì)的航空拖靶高度控制器，可控制拖靶實(shí)現(xiàn)超低空、高精度的掠海定高飛行，達(dá)到了設(shè)計(jì)目標(biāo)。設(shè)計(jì)中以ARM7嵌入式微處理器為核心進(jìn)行了硬件研制，并基于μC／OS-Ⅱ?qū)崟r(shí)嵌入式操作系統(tǒng)進(jìn)行了應(yīng)用軟件開發(fā)，將嵌入式技術(shù)及其優(yōu)點(diǎn)成功應(yīng)用于該控制器的研制，取得了較好的效果。