一種可變形飛行器的無人機控制系統(tǒng)設計與實驗

摘要：飛控系統(tǒng)是無人機的核心，無人機的外部架構對其性能的影響也很重要。為了提高無人機系統(tǒng)性能，給出一種無人機控制系統(tǒng)設計并進行了實驗。文章在介紹變形飛行器和飛控系統(tǒng)功能要求的基礎上，給出了基于芯片LPC2148的硬件設計，介紹了各個硬件部分的功能、軟件架構和控制規(guī)律的選擇與設計，詳細介紹了實驗的準備工作和實際飛行情況，給出了軟件調(diào)試流程圖，分析了調(diào)試結(jié)果。經(jīng)過多次飛行試驗，表明系統(tǒng)的設計是適合實驗中的可變形飛行器的，并且合理可靠，能夠完成預期的飛行任務，具有較好的實用性。
關鍵詞：變形飛行器；飛控系統(tǒng)；無人機；地面控制站；實驗

0 引言
    無人駕駛飛行器簡稱無人機(UAV)，是一種由動力驅(qū)動、無人駕駛和可重復使用的航空器。無人機因其成本低、效率好、應用靈活、危險系數(shù)小等優(yōu)點而廣泛應用于偵查、目標指示、生化武器探測、電子干擾、航空攝影、水災監(jiān)視等軍事和民用領域。
    隨著國家現(xiàn)代化和國防事業(yè)的發(fā)展，單一飛行模式的飛行器(運輸機、戰(zhàn)斗機、旋翼機、火箭、導彈、無人機、飛艇、空天往返飛機等)已經(jīng)難以滿足不斷增長的需求。新一代空天飛行器從地面或運載平臺上起飛，可以穿越大氣層飛行，執(zhí)行各種任務使命，其飛行環(huán)境(高度、飛行馬赫數(shù)等)變化很大。固定外形的飛行器很難適應如此廣泛的環(huán)境參數(shù)變化，保持優(yōu)良的性能。為了適應更加寬廣的飛行空域和速度范圍變化，需要發(fā)展一種能隨著外界飛行環(huán)境自適應地改變飛行器外形、始終保持優(yōu)良飛行性能的“智能變形飛行器”。
    無人機控制系統(tǒng)的核心部件為機載飛控系統(tǒng)和地面控制站。飛控系統(tǒng)實現(xiàn)對無人機的自主飛行控制；地面控制站實現(xiàn)對無人機遙控，航跡規(guī)劃，改變飛行計劃，通信聯(lián)絡等任務。地面站同時完成接收、處理、發(fā)送信息的任務。

1 飛控系統(tǒng)功能要求
    保持無人機按照預定飛行計劃飛行，并且能根據(jù)地面指令及時調(diào)整姿態(tài)和飛行；對擾動具有抗干擾性，能及時從擾動中調(diào)整和恢復正常飛行；并且具有較小的體積和重量，保證無人機的飛行效率和足夠的飛行時間。對飛控系統(tǒng)的具體要求為：能完成飛行控制信號輸出，控制升降舵機、方向舵機、發(fā)動機油門舵機和副翼舵機；對當前飛行狀態(tài)信息的采集，包括航向、姿態(tài)、高度、速度；通過串口接受GPS信息；地面控制站和飛控系統(tǒng)通過數(shù)傳電臺進行數(shù)據(jù)傳輸；能夠在遙控飛行和自主飛行間切換。

2 變形飛行器機構和變形控制
    飛行控制器根據(jù)飛行任務和飛行條件的要求，確定副翼變形頻率，使變形速度既滿足任務需求，又對飛行產(chǎn)生的不利影響最小，而變形過程中機翼的轉(zhuǎn)動會對飛行器的氣動力產(chǎn)生影響，氣動布局的改變使其穩(wěn)定特性受到影響。所以合理選擇變形飛行器，變形控制算法的設計和布置內(nèi)部硬件顯得尤為重要。
    本設計采用的變形飛行器結(jié)構為仿F-14模型，如圖1。

    該模型特點如下：一是機翼結(jié)構為后掠角可變，二是全動尾翼結(jié)構，機體橫側(cè)向滾轉(zhuǎn)靈活。

3 機載飛控系統(tǒng)結(jié)構圖總體設計
    我們采用開源網(wǎng)站開發(fā)設計的機載飛控系統(tǒng)飛控板，系統(tǒng)設計如圖4所示。

3．1 系統(tǒng)芯片介紹
    LPC2148是基于一個支持實時仿真和嵌入式跟蹤的32位ARM7 TDMI-S CPU的微控制器，并帶有32kB和512kB嵌入的高速flash存儲器。該芯片可以配置GPS、紅外傳感器等外部設備來達到我們預期的飛行目的。
3．2 傳感器
    系統(tǒng)采用三對紅外姿態(tài)傳感器判斷自身姿態(tài)。其原理如圖5所示。

    由于天空和大地之間的溫差，它們的紅外輻射波長有差別。系統(tǒng)采用的紅外傳感器對8～15μm波段的紅外輻射敏感，這正是天空和大地的一般熱輻射波長，因此傳感器不會被過熱(如太陽)或過低溫度的物體影響。由一對熱電堆產(chǎn)生的反向電壓經(jīng)過放大器放大，再經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換，即可顯示為代表無人機某一方向姿態(tài)角的數(shù)值。
    一般采用三對紅外傳感器。其中垂直方向傳感器的作用是初始化天空與大地的溫差，以確定水平方向傳感器的計算比例。水平方向則有橫向和徑向兩對傳感器，分別計算滾轉(zhuǎn)和俯仰角度。
3．3 GPS
    全球定位系統(tǒng)GPS采用LEA-5H，它的體積小、性能好，位置更新頻率為4Hz。LEA-5H與系統(tǒng)串行接口相連，獲取無人機的飛行速度、高度、經(jīng)緯度等信息實現(xiàn)實時導航控制。
3．4 調(diào)制解調(diào)器
    調(diào)制解調(diào)器采用Digi的XBee模塊，XBee的雙向鏈路給飛行中的調(diào)整、導航指令傳輸和飛行狀態(tài)反饋提供通道。XBee的射程達到40km，所有型號的引腳兼容，和天線一起重量約為2g。
3．5 遙控模塊
    遙控模塊包括遙控指令發(fā)送機和接受機。遙控指令發(fā)送機采用Spektrum DX-7，接收機采用FutabaFASST 7-channel接收機。發(fā)送機發(fā)送遙控指令，接收機接收遙控指令，并將指令傳送給系統(tǒng)芯片。

4 軟件
    軟件架構采用基于UML語言的仿真軟件。UML可以對任何具有靜態(tài)結(jié)構和動態(tài)行為的系統(tǒng)進行建模， 能夠應用于軟件系統(tǒng)開發(fā)從需求分析到軟件測試的各個階段，適用范圍極廣。
4．1 飛行仿真配置
    飛行器在實際飛行前需要驗證飛行算法，對飛行仿真進行相應的配置，如圖6所示，主要分為四大部分：飛行器基本參數(shù)、初始狀態(tài)參數(shù)、初始控制參數(shù)、模型與仿真選項。

4．2 飛行仿真平臺
    飛行仿真平臺實時觀測飛行器的位置、俯仰角、滾轉(zhuǎn)角、偏航角等信息。平臺負責飛行中對無人機進行實時控制和監(jiān)測。

5 控制規(guī)律選擇與設計
    工程實際中PID控制器應用最為廣泛，本設計采用PID控制器。
5．1 俯仰姿態(tài)控制回路
    俯仰姿態(tài)控制回路保證飛行器俯仰角在擾動后能以一定的性能保持或者穩(wěn)定到給定值。該控制回路由俯仰角反饋回路和俯仰角速率反饋回路構成。

5．2 滾轉(zhuǎn)角控制回路
    滾轉(zhuǎn)角控制回路的主要作用是當飛行器飛行過程中受到外力時，能夠使飛行器保持固有的滾轉(zhuǎn)角的控制，飛行器改變方向時也需要滾轉(zhuǎn)角控制回路的輔助配合。

5．3 航向控制回路
    航向控制回路主要用于飛行器需要改變飛行方向時對舵機的相關控制。

6 無人機實驗
6．1 系統(tǒng)電子設備的連接、調(diào)試與測試
    圖11是主要電子設備連接圖。包括Tiny2．11控制板(嵌合LEA-5H GPS芯片)、水平和垂直姿態(tài)傳感器、RC接收器、FTDI數(shù)據(jù)線、USB數(shù)據(jù)線及舵機等。這是地面測試狀態(tài)的連接圖，實際飛行測試中FTDI數(shù)據(jù)線要換成無線Xbee modem。

6．1．1 姿態(tài)傳感器調(diào)試
    中心點調(diào)試。為了保證實際飛行中模型處于水平狀態(tài)時姿態(tài)返回值為零，必須對三對紅外傳感器進行初始化歸零。

    方向調(diào)整。姿態(tài)傳感器的方向要合理配置，才能正確指示模型當前姿態(tài)。配置要在室外空曠地進行，以保證附近沒有熱源干擾，同時為了避免人體溫度的干擾，要將模型舉高過頭頂進行。要點是謹記大地的溫度高于天空，模型哪個方向?qū)χ孛?，相應的測量值即應為正，否則將傳感器反向。垂直方向傳感器只需識別天空與地面，較易配置。水平方向兩對傳感器則有兩種配置方式：第一種為傳感器方向和模型的徑向和橫向軸線一致；第二種為傳感器方向和模型的徑向和橫向軸線成45°角。兩種方式對應的配置文件不同，當前實驗中采用的是第一種方式。
6．1．2 無線modem調(diào)試
    實驗采用的是Xbee Pro 2模塊，工作頻率為868MHz。其通信配置通過X-CTU軟件進行。作為地面終端的模塊要設定為ZNET 2．5 COORDIN ATORAT模式，而模型上的模塊則要設定為ZNET 2．5ROUTER／END DEVICE AT模式。為了提高效率，還可將默認的通信速率由9．6kb／s提高到57．6kb／s。X-CTU設置界面如圖13所示。

6．1．3 GPS調(diào)試
    GPS調(diào)試必須在室外開闊地帶進行，保證周圍無高層建筑遮擋信號。可以使用u-blox的軟件u-center進行調(diào)試，也可直接在GCS中查看GPS信息。實際測試中，LEA-5H芯片的定位時間在2min以內(nèi)，位置漂移在3m以內(nèi)。U-CENTER測試GPS界面如圖14所示。

6．1．4 RC遙控器和接收機的修改和配置
    出于安全考慮，系統(tǒng)中保留傳統(tǒng)的RC遙控和接收是必要的。由于Tiny 2．11控制板需要直接讀入PPM信號進行處理，所以對于普通的PPM接收機，要使用示波器找出電路中PPM信號的接入點，焊接導線引出，再接入Tiny 2．11控制板。當前實驗采用的是天地飛WFR09-P 8通道接收器，其電路修改如圖15所示。

    各通道信號都需使用Real time plotter和Message工具確定信號范圍和中點，從而正確設置各通道的控制量及輸入方向。
6．2 飛行試驗
6．2．1 模型測試
    在不裝備自主飛行電子設備的情況下，使用傳統(tǒng)RC遙控器和接收機，手動控制模型進行飛行測試。測試目的是檢驗模型的穩(wěn)定性和操控性，估計模型能否進行自主飛行，并進行相應的修改和調(diào)整。
6．2．2 裝載控制設備的模型地面測試
    該測試與上面的電子設備調(diào)試基本相同，差異在于此時各電子設備都布設在機艙內(nèi)。須注意以下幾點：模型重量的控制和重心的合理配置；舵機的方向調(diào)整，確保在AUTO模式下和手控狀態(tài)下舵面偏轉(zhuǎn)方向一致；電子設備的絕緣保護；抗干擾措施。Xbee Modem與RC接收機應盡量遠離電調(diào)，它們之間的距離也應盡可能大。此外，接入Tiny控制板的大量導線要用小磁珠扎在末端，以減小電磁干擾。
6．2．3 自主飛行測試
    在自主飛行試驗之前，除了要進行上述各項測試工作，還必須完成飛行相關配置和飛行計劃的編寫，編譯和軟件模擬等工作。
    (1)飛行相關配置。這包括電機、舵機、GPS、Xbee modem、RC遙控等配置；
    (2)飛行計劃編寫。為自主飛行編寫合適的飛行計劃，包括初始位置、飛行航跡和飛行高度等。注意要事先用手持GPS確定試飛場地的經(jīng)緯坐標；
    (3)飛行模擬。各配置文件編寫完成，編譯無誤后，在地面站進行飛行模擬。模擬無誤后，上傳至控制板。
    (4)實際飛行。各項準備工作完成后，到預期地點進行實際飛行。

    飛行器從home出發(fā)，繞以S1為中心的圓飛行。在從home到L1這階段，飛行器副翼收縮，快速飛行，在飛行中根據(jù)收到的GPS信號，不斷調(diào)整自己的軌跡，到達L1處飛行狀態(tài)基本穩(wěn)定，飛行器副翼展開進行定點盤旋。

    當飛行器在L2處接收到調(diào)整飛行計劃命令時，副翼收縮，快速飛行，到達L3處飛行器飛行狀態(tài)基本穩(wěn)定，副翼伸展，進行定點盤旋。

    圖18實時改變盤旋中心點實際飛行的情況達到了預期效果，實現(xiàn)了預期功能。

7 結(jié)束語
    系統(tǒng)復雜度較高，所需設備也較多。但是可以自主飛行，同時實現(xiàn)航跡和姿態(tài)控制。機載輔助電路將信號發(fā)回地面后，完全可以使用獨立編制的控制算法進行控制，而信號處理則由軟件完成。由于地面平臺速度很快，信號延遲不會有太大影響。針對變形飛行器模型，可以充分利用其可變形的特點，實現(xiàn)性能最優(yōu)化。