摘要：飛控系統(tǒng)是無人機(jī)的核心，無人機(jī)的外部架構(gòu)對(duì)其性能的影響也很重要。為了提高無人機(jī)系統(tǒng)性能，給出一種無人機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。文章在介紹變形飛行器和飛控系統(tǒng)功能要求的基礎(chǔ)上，給出了基于芯片LPC2148的硬件設(shè)計(jì)，介紹了各個(gè)硬件部分的功能、軟件架構(gòu)和控制規(guī)律的選擇與設(shè)計(jì)，詳細(xì)介紹了實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)備工作和實(shí)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(yàn)，表明系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是適合實(shí)驗(yàn)中的可變形飛行器的，并且合理可靠，能夠完成預(yù)期的飛行任務(wù)，具有較好的實(shí)用性。
關(guān)鍵詞：變形飛行器；飛控系統(tǒng)；無人機(jī)；地面控制站；實(shí)驗(yàn)

0 引言
    無人駕駛飛行器簡(jiǎn)稱無人機(jī)(UAV)，是一種由動(dòng)力驅(qū)動(dòng)、無人駕駛和可重復(fù)使用的航空器。無人機(jī)因其成本低、效率好、應(yīng)用靈活、危險(xiǎn)系數(shù)小等優(yōu)點(diǎn)而廣泛應(yīng)用于偵查、目標(biāo)指示、生化武器探測(cè)、電子干擾、航空攝影、水災(zāi)監(jiān)視等軍事和民用領(lǐng)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(yùn)輸機(jī)、戰(zhàn)斗機(jī)、旋翼機(jī)、火箭、導(dǎo)彈、無人機(jī)、飛艇、空天往返飛機(jī)等)已經(jīng)難以滿足不斷增長(zhǎng)的需求。新一代空天飛行器從地面或運(yùn)載平臺(tái)上起飛，可以穿越大氣層飛行，執(zhí)行各種任務(wù)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(yīng)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(yīng)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(yīng)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(jī)控制系統(tǒng)的核心部件為機(jī)載飛控系統(tǒng)和地面控制站。飛控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)無人機(jī)的自主飛行控制；地面控制站實(shí)現(xiàn)對(duì)無人機(jī)遙控，航跡規(guī)劃，改變飛行計(jì)劃，通信聯(lián)絡(luò)等任務(wù)。地面站同時(shí)完成接收、處理、發(fā)送信息的任務(wù)。

1 飛控系統(tǒng)功能要求
    保持無人機(jī)按照預(yù)定飛行計(jì)劃飛行，并且能根據(jù)地面指令及時(shí)調(diào)整姿態(tài)和飛行；對(duì)擾動(dòng)具有抗干擾性，能及時(shí)從擾動(dòng)中調(diào)整和恢復(fù)正常飛行；并且具有較小的體積和重量，保證無人機(jī)的飛行效率和足夠的飛行時(shí)間。對(duì)飛控系統(tǒng)的具體要求為：能完成飛行控制信號(hào)輸出，控制升降舵機(jī)、方向舵機(jī)、發(fā)動(dòng)機(jī)油門舵機(jī)和副翼舵機(jī)；對(duì)當(dāng)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(tái)進(jìn)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(jī)構(gòu)和變形控制
    飛行控制器根據(jù)飛行任務(wù)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(wù)需求，又對(duì)飛行產(chǎn)生的不利影響最小，而變形過程中機(jī)翼的轉(zhuǎn)動(dòng)會(huì)對(duì)飛行器的氣動(dòng)力產(chǎn)生影響，氣動(dòng)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(shè)計(jì)和布置內(nèi)部硬件顯得尤為重要。
    本設(shè)計(jì)采用的變形飛行器結(jié)構(gòu)為仿F-14模型，如圖1。

    該模型特點(diǎn)如下：一是機(jī)翼結(jié)構(gòu)為后掠角可變，二是全動(dòng)尾翼結(jié)構(gòu)，機(jī)體橫側(cè)向滾轉(zhuǎn)靈活。

3 機(jī)載飛控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖總體設(shè)計(jì)
    我們采用開源網(wǎng)站開發(fā)設(shè)計(jì)的機(jī)載飛控系統(tǒng)飛控板，系統(tǒng)設(shè)計(jì)如圖4所示。

3．1 系統(tǒng)芯片介紹
    LPC2148是基于一個(gè)支持實(shí)時(shí)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(chǔ)器。該芯片可以配置GPS、紅外傳感器等外部設(shè)備來達(dá)到我們預(yù)期的飛行目的。
3．2 傳感器
    系統(tǒng)采用三對(duì)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(zhǎng)有差別。系統(tǒng)采用的紅外傳感器對(duì)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(zhǎng)，因此傳感器不會(huì)被過熱(如太陽)或過低溫度的物體影響。由一對(duì)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(jī)某一方向姿態(tài)角的數(shù)值。
    一般采用三對(duì)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(jì)算比例。水平方向則有橫向和徑向兩對(duì)傳感器，分別計(jì)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(jī)的飛行速度、高度、經(jīng)緯度等信息實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)導(dǎo)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(dǎo)航指令傳輸和飛行狀態(tài)反饋提供通道。XBee的射程達(dá)到40km，所有型號(hào)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(jī)和接受機(jī)。遙控指令發(fā)送機(jī)采用Spektrum DX-7，接收機(jī)采用FutabaFASST 7-channel接收機(jī)。發(fā)送機(jī)發(fā)送遙控指令，接收機(jī)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(gòu)采用基于UML語言的仿真軟件。UML可以對(duì)任何具有靜態(tài)結(jié)構(gòu)和動(dòng)態(tài)行為的系統(tǒng)進(jìn)行建模， 能夠應(yīng)用于軟件系統(tǒng)開發(fā)從需求分析到軟件測(cè)試的各個(gè)階段，適用范圍極廣。
4．1 飛行仿真配置
    飛行器在實(shí)際飛行前需要驗(yàn)證飛行算法，對(duì)飛行仿真進(jìn)行相應(yīng)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(xiàng)。

4．2 飛行仿真平臺(tái)
    飛行仿真平臺(tái)實(shí)時(shí)觀測(cè)飛行器的位置、俯仰角、滾轉(zhuǎn)角、偏航角等信息。平臺(tái)負(fù)責(zé)飛行中對(duì)無人機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制和監(jiān)測(cè)。

5 控制規(guī)律選擇與設(shè)計(jì)
    工程實(shí)際中PID控制器應(yīng)用最為廣泛，本設(shè)計(jì)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(dòng)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(gòu)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(dāng)飛行器飛行過程中受到外力時(shí)，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(shí)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(shí)對(duì)舵機(jī)的相關(guān)控制。

6 無人機(jī)實(shí)驗(yàn)
6．1 系統(tǒng)電子設(shè)備的連接、調(diào)試與測(cè)試
    圖11是主要電子設(shè)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(jī)等。這是地面測(cè)試狀態(tài)的連接圖，實(shí)際飛行測(cè)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(diǎn)調(diào)試。為了保證實(shí)際飛行中模型處于水平狀態(tài)時(shí)姿態(tài)返回值為零，必須對(duì)三對(duì)紅外傳感器進(jìn)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(dāng)前姿態(tài)。配置要在室外空曠地進(jìn)行，以保證附近沒有熱源干擾，同時(shí)為了避免人體溫度的干擾，要將模型舉高過頭頂進(jìn)行。要點(diǎn)是謹(jǐn)記大地的溫度高于天空，模型哪個(gè)方向?qū)χ孛妫鄳?yīng)的測(cè)量值即應(yīng)為正，否則將傳感器反向。垂直方向傳感器只需識(shí)別天空與地面，較易配置。水平方向兩對(duì)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(duì)應(yīng)的配置文件不同，當(dāng)前實(shí)驗(yàn)中采用的是第一種方式。
6．1．2 無線modem調(diào)試
    實(shí)驗(yàn)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(jìn)行。作為地面終端的模塊要設(shè)定為ZNET 2．5 COORDIN ATORAT模式，而模型上的模塊則要設(shè)定為ZNET 2．5ROUTER／END DEVICE AT模式。為了提高效率，還可將默認(rèn)的通信速率由9．6kb／s提高到57．6kb／s。X-CTU設(shè)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(jìn)行，保證周圍無高層建筑遮擋信號(hào)?？梢允褂胾-blox的軟件u-center進(jìn)行調(diào)試，也可直接在GCS中查看GPS信息。實(shí)際測(cè)試中，LEA-5H芯片的定位時(shí)間在2min以內(nèi)，位置漂移在3m以內(nèi)。U-CENTER測(cè)試GPS界面如圖14所示。

6．1．4 RC遙控器和接收機(jī)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(hào)進(jìn)行處理，所以對(duì)于普通的PPM接收機(jī)，要使用示波器找出電路中PPM信號(hào)的接入點(diǎn)，焊接導(dǎo)線引出，再接入Tiny 2．11控制板。當(dāng)前實(shí)驗(yàn)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(hào)都需使用Real time plotter和Message工具確定信號(hào)范圍和中點(diǎn)，從而正確設(shè)置各通道的控制量及輸入方向。
6．2 飛行試驗(yàn)
6．2．1 模型測(cè)試
    在不裝備自主飛行電子設(shè)備的情況下，使用傳統(tǒng)RC遙控器和接收機(jī)，手動(dòng)控制模型進(jìn)行飛行測(cè)試。測(cè)試目的是檢驗(yàn)?zāi)Ｐ偷姆€(wěn)定性和操控性，估計(jì)模型能否進(jìn)行自主飛行，并進(jìn)行相應(yīng)的修改和調(diào)整。
6．2．2 裝載控制設(shè)備的模型地面測(cè)試
    該測(cè)試與上面的電子設(shè)備調(diào)試基本相同，差異在于此時(shí)各電子設(shè)備都布設(shè)在機(jī)艙內(nèi)。須注意以下幾點(diǎn)：模型重量的控制和重心的合理配置；舵機(jī)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(shè)備的絕緣保護(hù)；抗干擾措施。Xbee Modem與RC接收機(jī)應(yīng)盡量遠(yuǎn)離電調(diào)，它們之間的距離也應(yīng)盡可能大。此外，接入Tiny控制板的大量導(dǎo)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(cè)試
    在自主飛行試驗(yàn)之前，除了要進(jìn)行上述各項(xiàng)測(cè)試工作，還必須完成飛行相關(guān)配置和飛行計(jì)劃的編寫，編譯和軟件模擬等工作。
    (1)飛行相關(guān)配置。這包括電機(jī)、舵機(jī)、GPS、Xbee modem、RC遙控等配置；
    (2)飛行計(jì)劃編寫。為自主飛行編寫合適的飛行計(jì)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(chǎng)地的經(jīng)緯坐標(biāo)；
    (3)飛行模擬。各配置文件編寫完成，編譯無誤后，在地面站進(jìn)行飛行模擬。模擬無誤后，上傳至控制板。
    (4)實(shí)際飛行。各項(xiàng)準(zhǔn)備工作完成后，到預(yù)期地點(diǎn)進(jìn)行實(shí)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(hào)，不斷調(diào)整自己的軌跡，到達(dá)L1處飛行狀態(tài)基本穩(wěn)定，飛行器副翼展開進(jìn)行定點(diǎn)盤旋。

    當(dāng)飛行器在L2處接收到調(diào)整飛行計(jì)劃命令時(shí)，副翼收縮，快速飛行，到達(dá)L3處飛行器飛行狀態(tài)基本穩(wěn)定，副翼伸展，進(jìn)行定點(diǎn)盤旋。

    圖18實(shí)時(shí)改變盤旋中心點(diǎn)實(shí)際飛行的情況達(dá)到了預(yù)期效果，實(shí)現(xiàn)了預(yù)期功能。

7 結(jié)束語
    系統(tǒng)復(fù)雜度較高，所需設(shè)備也較多。但是可以自主飛行，同時(shí)實(shí)現(xiàn)航跡和姿態(tài)控制。機(jī)載輔助電路將信號(hào)發(fā)回地面后，完全可以使用獨(dú)立編制的控制算法進(jìn)行控制，而信號(hào)處理則由軟件完成。由于地面平臺(tái)速度很快，信號(hào)延遲不會(huì)有太大影響。針對(duì)變形飛行器模型，可以充分利用其可變形的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)性能最優(yōu)化。