【無人測控系統(tǒng)的構(gòu)成及其設(shè)計4600字（論文）】

無人測控系統(tǒng)的構(gòu)成及其設(shè)計目錄TOC\o"1-2"\h\u11521無人測控系統(tǒng)的構(gòu)成及其設(shè)計 129415摘要 113941緒論 1224711.1研究背景 1242781.2研究意義 2152812過程測控的發(fā)展?fàn)顩r 2190662.1.第一階段 2316882.2.第二階段 296832.3第三階段 2104983航天測控?zé)o人系統(tǒng) 3107373.1測控系統(tǒng)的整體架構(gòu) 372623.2無人靶機(jī)地面測控系統(tǒng)硬件 3264623.3航天測控軟件功能架構(gòu) 4229633.4航天測控軟件操作 466923.5測控數(shù)據(jù)處理圖 57732總結(jié) 624267參考文獻(xiàn) 7摘要隨著我國無人測控系統(tǒng)的迅速發(fā)展,航天測控自動化和數(shù)字化的應(yīng)用技術(shù)已經(jīng)在工業(yè)的中得到了普遍的使用,并促進(jìn)了經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展。當(dāng)前的無人測控系統(tǒng)不僅要有高效率的工作要求,還要有連續(xù)性和準(zhǔn)確度較高的過程控制,為了今后航天測控的技術(shù)應(yīng)用能夠較好的滿足生產(chǎn)要求。本文闡述了自動化測控系統(tǒng)的發(fā)展?fàn)顩r、組成成分和應(yīng)用情況以及實例，來對無人測控系統(tǒng)進(jìn)行介紹，希望能幫助這個技術(shù)在現(xiàn)代化測控系統(tǒng)得到持續(xù)的優(yōu)化。關(guān)鍵詞：自動、測控系統(tǒng)、工業(yè)1緒論研究背景在傳統(tǒng)的測控系統(tǒng)中，地面操控者從指令數(shù)據(jù)庫中調(diào)取指令通過無線電通訊來控制相關(guān)飛機(jī)飛行，與此同時，飛機(jī)將采集到的數(shù)據(jù)和自身狀態(tài)信息反饋給地面操控者。飛行任務(wù)的成功與否完全取決于地面操控者與無人機(jī)之間持續(xù)不斷的互動和通訊鏈的可靠性，但是在不確定的動態(tài)戰(zhàn)場環(huán)境下，數(shù)據(jù)通訊的延時性和通訊帶寬的約束性要求設(shè)計者們研發(fā)自主式飛機(jī)系統(tǒng)。自上世紀(jì)以來，隨著微電子技術(shù)、傳感技術(shù)、數(shù)字通信技術(shù)等的發(fā)展，一些在無人機(jī)技術(shù)發(fā)展道路上曾經(jīng)難以逾越的障礙被逐個攻破。1.2研究意義當(dāng)今世界的飛機(jī)在很大程度上還需要依賴人為控制或是預(yù)編程控制，現(xiàn)有的技術(shù)手段最多只能實現(xiàn)確定環(huán)境下的自主或半自主控制，而完全意義上的自主控制應(yīng)該是在不確定環(huán)境下模擬人類的智能系統(tǒng)：五官感覺—大腦思維—四肢行動，映射到飛機(jī)系統(tǒng)即為機(jī)載傳感器對環(huán)境進(jìn)行感知—任務(wù)測控規(guī)劃系統(tǒng)進(jìn)行管理決策—機(jī)載執(zhí)行機(jī)構(gòu)觸發(fā)相應(yīng)動作，而這尚處于理論研究階段。2過程測控的發(fā)展?fàn)顩r2.1.第一階段最初的第一階段的過程測控系統(tǒng)式以經(jīng)典的控制理論當(dāng)作基礎(chǔ)，也即是用傳遞函數(shù)，用數(shù)學(xué)來敘述，對系統(tǒng)進(jìn)行分析的基本方法為根軌道法和頻率法。而通常的處理手段式，把一個比較復(fù)雜的過程拆分成幾個簡單的過程，然后再使用但輸入、單輸出的控制系統(tǒng)。測控的目標(biāo)將重點放在維持整個生產(chǎn)過程的正常使用以及安全問題，要想實現(xiàn)這樣的目的需要的是單個傳感器、控制器以及執(zhí)行器。在這一階段的自動化水平還是處于水平比較低的階段。2.2.第二階段隨著社會的發(fā)展過程已經(jīng)大規(guī)模化，向著連續(xù)性方向開始發(fā)展，原先的簡單測控的模式已經(jīng)不能夠符合現(xiàn)在的要求。此時的現(xiàn)代測控理論，更好的提供了理論基礎(chǔ)。用狀態(tài)空間法和最小二乘法為基礎(chǔ)的系統(tǒng)識別，用極大值的原理和動態(tài)規(guī)劃為基礎(chǔ)的優(yōu)化控制和用爾曼濾波理論做為中心的最優(yōu)估計三部分。分析方法是從外部現(xiàn)象，再深入發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)的內(nèi)在規(guī)律，先做到局部的控制，再完成全面的最優(yōu)的控制。直接數(shù)字控制與監(jiān)督計算機(jī)控作為自動控制的工具也在當(dāng)時出現(xiàn)了。2.3第三階段大規(guī)模的集成電路和未處理器的產(chǎn)生讓計算機(jī)的發(fā)展和應(yīng)用大大的增高，在這樣的背景下，研發(fā)出了具有可靠性以及靈活性的工業(yè)計算機(jī)，這是一種全新的工業(yè)測控工具。計算控制系統(tǒng)和集計算機(jī)技術(shù)、控制技術(shù)、統(tǒng)一技術(shù)、圖片顯示技術(shù)相結(jié)合的計算機(jī)系統(tǒng)給當(dāng)時提供了無窮的便利。這個階段的理論是控制理論與其他的學(xué)課相輔相成所形成的，第三代控制理論的主要內(nèi)容就是大系統(tǒng)理論以及智能控制理論。3航天測控?zé)o人系統(tǒng)3.1測控系統(tǒng)的整體架構(gòu)航天測控通常分為遙控型和遙控自主復(fù)合型。所謂遙控是指地面操縱人員在視距范圍內(nèi)操縱無人機(jī)起飛、飛行和著陸，而自主飛行則不需要人為的參與，飛機(jī)在飛控系統(tǒng)的控制下按規(guī)劃好的航跡自主飛行。本文所述的屬于具有半自主能力的遙控自主復(fù)合型無人機(jī)。飛機(jī)的飛行控制系統(tǒng)由兩部分組成：機(jī)載飛控系統(tǒng)和地面測控系統(tǒng)。3.2無人靶機(jī)地面測控系統(tǒng)硬件無人靶機(jī)地面測控系統(tǒng)由數(shù)據(jù)電臺及地面天線、操縱桿、發(fā)電機(jī)、1臺測控計算機(jī)、2臺終端顯示計算機(jī)、1臺外景監(jiān)視計算機(jī)、1個USB視頻采集卡、1個無線視頻接收裝置和一輛測控車組成，整套系統(tǒng)采用裝車形式。其中發(fā)電機(jī)和天線安裝在車外，發(fā)電機(jī)提供220V交流電源給測控車內(nèi)設(shè)備供電，地面天線選用高增益全向垂直極化天線，為保證較遠(yuǎn)的傳輸距離，天線頂端的架設(shè)高度應(yīng)保證在4.5m以上，饋線采用低損耗同軸電纜。機(jī)載CCD攝像機(jī)將拍攝到的實時地面圖像交由USB視頻采集卡采集，然后由外景監(jiān)視計算機(jī)來顯示，其余設(shè)備全部安裝在車廂內(nèi)。指令控制系統(tǒng)主要通過操縱桿和人機(jī)界面上的指令盤來實現(xiàn)，操縱人員通過操縱桿和指令盤分別發(fā)出相應(yīng)的連續(xù)指令和離散指令，實現(xiàn)對發(fā)動機(jī)的起動、停止和狀態(tài)切換控制以及對無人靶機(jī)的前飛控制、高度控制、起降控制、航向控制和側(cè)飛控制。操縱人員同時也可通過終端顯示計算機(jī)1和終端顯示計算機(jī)2的顯示界面獲得無人靶機(jī)的飛行狀態(tài)參數(shù)和實時航跡。這終端顯示計算機(jī)可以對來自飛控計算機(jī)的遙測數(shù)據(jù)進(jìn)行實時處理，無人靶機(jī)的飛行姿態(tài)方位角、飛行高度、航向、飛行坐標(biāo)數(shù)據(jù)、發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速、飛機(jī)機(jī)載電壓等參數(shù)通過虛擬的飛行儀表界面顯示，同時繪制過程曲線圖形，便于地面操縱人員及時準(zhǔn)確地了解無人靶機(jī)的飛行狀態(tài)。連續(xù)指令的發(fā)送是通過地面操縱人員手動控制操縱桿來施加連續(xù)的控制量，經(jīng)地面測控計算機(jī)接收處理后，通過上行鏈路發(fā)送至飛控計算機(jī)。圖1操縱桿右圖為右手桿，右手桿的前傾和后仰可以控制無人靶機(jī)的俯仰運動，左傾和右傾可以控制無人靶機(jī)的橫滾運動，左旋和右旋可以控制無人靶機(jī)的偏航運動，操縱桿還配備了4個離散指令功能鍵，為應(yīng)急、桿量保持、剎車、回收，可根據(jù)操縱人員的握法對右手桿上的按鈕進(jìn)行功能設(shè)置。左圖為油門桿，油門桿前推可以控制發(fā)動機(jī)的油門加大，后推可以控制發(fā)動機(jī)的油門減小，油門桿配備了2個離散指令功能鍵，為手動油門和自動油門，和右手桿一樣，也可進(jìn)行其他功能的設(shè)置。3.3航天測控軟件功能架構(gòu)地面測控系統(tǒng)是對無人靶機(jī)控制與測試的指揮中心，而指揮功能都是通過地面測控軟件來實現(xiàn)的，本文設(shè)計的地面測控軟件應(yīng)具備如下功能：完成地面測控計算機(jī)與無線數(shù)據(jù)電臺間的接口，實現(xiàn)測控信號以12.5Hz的傳輸周期實時通訊；提供各種信號的輸入界面，并提供操縱控制信號、各地面設(shè)備與測控計算機(jī)間的信號接口；提供地面操縱人員對無人靶機(jī)進(jìn)行操縱與控制的接口，使地面操縱人員能通過操縱桿和人機(jī)界面上的指令盤完成對無人靶機(jī)飛行動作的操縱與控制；以圖形方式和過程曲線方式實時顯示飛行狀態(tài)參數(shù)和來自地面操縱人員的指令信號，這可以通過虛擬的飛行儀表界面來實現(xiàn)；能夠?qū)崟r采集無人靶機(jī)發(fā)回地面的視頻圖像，并實現(xiàn)圖像的預(yù)覽，完成圖像的保存；可根據(jù)需要載入不同地形的地圖，地面操縱人員可以通過簡單直觀的鼠標(biāo)點擊來縮放移動地圖，并可實時編輯航點、設(shè)計航線以保證無人靶機(jī)的機(jī)上航跡重規(guī)劃；完成飛行歷程數(shù)據(jù)的保存及后期處理。3.4航天測控軟件操作無人靶機(jī)地面測控軟件的功能主要由處理數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪b控遙測模塊和無線視頻圖像的傳輸模塊來實現(xiàn)。遙控遙測模塊又劃分為多個小的功能模塊。遙控遙測模塊通過無人靶機(jī)與地面操縱人員之間的人機(jī)交互界面來實現(xiàn)，機(jī)載飛控計算機(jī)和機(jī)載攝像機(jī)將傳感器信息和地面圖像傳送到地面，地面操縱人員通過人機(jī)界面向無人靶機(jī)發(fā)送遙控指令，直觀地了解無人靶機(jī)的飛行狀態(tài)參數(shù)和曲線以及實時航跡，并通過地面數(shù)據(jù)電臺發(fā)送上行遙控指令完成對無人靶機(jī)的操縱與控制。地面測控軟件的人機(jī)交互界面包括以下幾個部分：主控制界面。這個界面包括指令盤、當(dāng)前無人靶機(jī)狀態(tài)參數(shù)以及系統(tǒng)其他部分的功能入口。地面操縱人員可以控制無人靶機(jī)飛行，同時監(jiān)測無人靶機(jī)當(dāng)前的狀態(tài)參數(shù)；動態(tài)曲線界面。動態(tài)曲線界面通過二維曲線顯示無人靶機(jī)在一段時間內(nèi)的狀態(tài)參數(shù)的變化趨勢。地面操作人員通過這個趨勢圖掌握無人靶機(jī)當(dāng)前的飛行狀態(tài)和飛行趨勢，以供分析和判斷，必要時通過操縱桿或離散遙控指令人為干預(yù)無人靶機(jī)的飛行狀態(tài)；航跡—高度界面。該界面顯示了無人靶機(jī)整個飛行過程中的高度變化與航跡。主要用來分析遙測數(shù)據(jù)及衡量飛行效果；曲線回放界面。該界面用來回放飛行過程中的某項參數(shù)曲線。圖形界面的繪制作為一個低優(yōu)先級、同時也是比較消耗CPU時間片的任務(wù)，測控軟件將其放在一個低優(yōu)先級的線程中執(zhí)行。這樣如果整個計算機(jī)系統(tǒng)比較空閑，就能夠有更多的時間來刷新界面圖像，保持一個較高的圖像刷新率。在這樣的刷新率之下，測控軟件可以向地面操縱人員提供平滑的視覺效果。而如果系統(tǒng)比較繁忙，圖形繪制與刷新線程得不到足夠的CPU時間片，那么唯一的影響僅僅是圖形界面的視覺效果不夠平滑而已，不會影響到遙控遙測數(shù)據(jù)的收發(fā)與分析這類核心任務(wù)，最大限度的保證了測控軟件的可靠性。3.5測控數(shù)據(jù)處理圖主線程不斷的從輸入模塊讀取用戶輸入，然后調(diào)用飛行控制模塊控制無人靶機(jī)飛行，并同時從數(shù)據(jù)存儲與維護(hù)模塊讀取飛行狀態(tài)數(shù)據(jù)，傳送給飛行狀態(tài)監(jiān)測模塊進(jìn)行分析。數(shù)據(jù)處理線程監(jiān)視串口和USB接口，使用串口通訊模塊和圖像傳輸模塊接收RS232位數(shù)據(jù)及無線視頻圖像信息，并整合成幀數(shù)據(jù)包儲存在數(shù)據(jù)存儲與維護(hù)模塊。圖像繪制線程不斷從飛行狀態(tài)監(jiān)測模塊獲得飛行狀態(tài)并顯示在屏幕上。3個線程各司其職，互不干涉，只通過靜態(tài)模塊之間的接口進(jìn)行交互，大大增強了測控軟件的可靠性。圖1測控軟件示意圖測控系統(tǒng)是通過串口通訊模塊實現(xiàn)與無人靶機(jī)的遙控遙測數(shù)據(jù)的傳輸?shù)?，所以實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)年P(guān)鍵技術(shù)就是實現(xiàn)地面測控系統(tǒng)與數(shù)據(jù)鏈的串口通訊。測控系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)一般采用串行通訊的方式傳輸，其實時性和可靠性對于控制性能有著至關(guān)重要的作用，直接影響到直升機(jī)的操縱性及安全性，因而接收程序?qū)儆趶妼崟r性任務(wù)，需要考慮通訊速度、數(shù)據(jù)傳輸距離、信道品質(zhì)、數(shù)據(jù)量等多種因素。因此，在編程時采用中斷服務(wù)程序設(shè)計串行通訊接收程序，就是在串行口接收中斷服務(wù)子程序中直接進(jìn)行數(shù)據(jù)幀識別、接收，為了不影響上行遙控指令的計算，接收數(shù)據(jù)后將串口接收標(biāo)志位置位，在程序主循環(huán)中進(jìn)行數(shù)據(jù)校驗和處理?？偨Y(jié)本文展現(xiàn)了測控系統(tǒng)，著重從軟件軟件方面設(shè)計了無人靶機(jī)測控軟件各個主要局部。本測控軟件很好的將不同級的遙控遙測技術(shù)和航跡規(guī)劃技術(shù)融合到了飛機(jī)測控軟件的設(shè)計中，在機(jī)載硬件的支持下，這種飛機(jī)的自主控制級別約達(dá)到了2—3級之間的自主水平。

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