無(wú)人直升機(jī)飛行控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)報(bào)告

無(wú)人直升機(jī)飛行控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)報(bào)告摘要：本文介紹了用于無(wú)人直升機(jī)控制的飛行控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和分部分的主要性能，詳細(xì)闡述了系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案以及設(shè)計(jì)思想。一整體系統(tǒng)描述整個(gè)系統(tǒng)可以分為機(jī)載部分和地面部分，機(jī)載部分負(fù)責(zé)維持飛機(jī)的穩(wěn)定飛行并提供圖像信息給地面部分，地面部分根據(jù)飛機(jī)的狀態(tài)以及得到的圖像信息作出下一步飛行的目標(biāo)規(guī)劃并發(fā)送給機(jī)載部分，同時(shí)為了確保安全，防止自主飛行機(jī)構(gòu)失控，添加了可由操作手控制的控制器。地面部分與機(jī)載部分之間有兩條數(shù)據(jù)鏈路——負(fù)責(zé)傳送圖像和傳送飛行狀態(tài)和指令。圖像傳送的數(shù)據(jù)鏈路通過(guò)購(gòu)買成品解決，另外負(fù)責(zé)傳送飛行狀態(tài)和指令的部分也已經(jīng)有方案可以解決（目前正在開(kāi)發(fā)的部分雖然包括擴(kuò)頻通信，但是由于技術(shù)原因不能確保在比賽中的可用性，所以這部分只是作為研究性的項(xiàng)目）。地面部分可以分為地面站和圖像處理平臺(tái)，前者與機(jī)載飛行控制器通訊以發(fā)送控制命令并獲得飛機(jī)狀態(tài)信息，后者獲取機(jī)載攝像頭的圖像并做處理以搜尋比賽目標(biāo)。機(jī)載部分將在后一部分詳述。

二飛機(jī)內(nèi)部系統(tǒng)描述為了完成自主飛行任務(wù)，飛機(jī)需要相關(guān)功能部件完成對(duì)飛機(jī)狀態(tài)信息的采集、對(duì)執(zhí)行部分的控制以及對(duì)地面站命令的響應(yīng)等功能。在無(wú)人機(jī)上，替代飛行員或操作手完成飛行任務(wù)的自主機(jī)構(gòu)包括圖像設(shè)備、飛控模塊、高度測(cè)量、舵機(jī)控制、數(shù)據(jù)鏈路以及航姿儀等，如下圖所示：圖像設(shè)備飛控模塊高度測(cè)量舵機(jī)控制數(shù)據(jù)鏈路航姿儀圖像設(shè)備飛控模塊高度測(cè)量舵機(jī)控制數(shù)據(jù)鏈路航姿儀各個(gè)模塊之間相對(duì)獨(dú)立，均可單獨(dú)完成一定的功能，模塊之間的相互連接采用總線實(shí)現(xiàn)，硬件上采用PC104標(biāo)準(zhǔn)，便于安裝和系統(tǒng)集成。雖然采用的總線是較可靠的通訊標(biāo)準(zhǔn)，但是在直升機(jī)實(shí)際飛行的環(huán)境中存在震動(dòng)、電磁等干擾因素，可能影響到數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃裕瑸榱吮ＷC正確的數(shù)據(jù)傳輸，采用了兩套互為備份的總線系統(tǒng)——422總線和CAN總線。422總線為現(xiàn)有UAV系統(tǒng)采用的標(biāo)準(zhǔn)，具有技術(shù)較成熟的優(yōu)勢(shì)；CAN總線對(duì)于數(shù)據(jù)包的傳送更為方便，克服了422只能采用主從模式以及工作在輪詢模式的缺點(diǎn)，并且具有更高的數(shù)據(jù)傳輸速度，是一種較新的標(biāo)準(zhǔn)，使用CAN總線也是對(duì)系統(tǒng)方案升級(jí)的嘗試。慣性導(dǎo)航系統(tǒng)與GPS為了實(shí)現(xiàn)對(duì)直升機(jī)姿態(tài)的控制，需要有飛機(jī)各個(gè)方向的速度位置信息等，慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的算法通過(guò)對(duì)慣性測(cè)量單元(IMU)提供的加速度和角加速度的積分，得到機(jī)體的位置、速度和姿態(tài)信息(PVA)。從硬件上來(lái)說(shuō)，該模塊是實(shí)現(xiàn)了對(duì)各個(gè)加速度和角加速度傳

慣性導(dǎo)航系統(tǒng)與GPS感器的信息采集，但是僅僅通過(guò)以上簡(jiǎn)單的慣導(dǎo)算法本身很難得到有用的信息，慣性傳感器的漂移和定步長(zhǎng)積分的累計(jì)誤差會(huì)使計(jì)算結(jié)果很快偏離實(shí)際值。導(dǎo)航系統(tǒng)必須考慮這些誤差因素并對(duì)得到的PVA結(jié)果作出修正。慣性導(dǎo)航系統(tǒng)可分為平臺(tái)慣導(dǎo)系統(tǒng)和捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)，平臺(tái)慣導(dǎo)系統(tǒng)是通過(guò)一個(gè)機(jī)械平臺(tái)把慣性敏感元件與機(jī)體的角運(yùn)動(dòng)隔離開(kāi)、使之跟蹤某個(gè)給定的坐標(biāo)系，從而給出相對(duì)于給定坐標(biāo)系的運(yùn)動(dòng)信息，而捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)是將慣性敏感元件直接固定在飛行器機(jī)體上，通過(guò)計(jì)算機(jī)采集慣性元件的輸出并解算出飛行器相對(duì)于給定坐標(biāo)系的運(yùn)動(dòng)信息。捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)相對(duì)于平臺(tái)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，通過(guò)計(jì)算機(jī)程序?qū)崿F(xiàn)了平臺(tái)的作用，簡(jiǎn)化了硬件復(fù)雜性，提高了系統(tǒng)的可靠性和可維護(hù)性，更容易實(shí)現(xiàn)。慣性導(dǎo)航模塊的設(shè)計(jì)目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)一個(gè)獨(dú)立的數(shù)字捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)：采集慣性敏感元件的輸出信號(hào)并進(jìn)行解算，給出飛行器相對(duì)與給定坐標(biāo)系的運(yùn)動(dòng)信息，通過(guò)總線實(shí)時(shí)地發(fā)送給飛行控制計(jì)算機(jī)。系統(tǒng)最初的設(shè)計(jì)方案中包括如下部分：角速度傳感器，加速度傳感器，磁性傳感器，實(shí)現(xiàn)信號(hào)采集和運(yùn)算的DSP。由于時(shí)間緊迫，慣性導(dǎo)航模塊僅實(shí)現(xiàn)對(duì)陀螺和加速度計(jì)的數(shù)據(jù)采集，通過(guò)總線實(shí)時(shí)的發(fā)送給飛控計(jì)算機(jī)，下一步的運(yùn)算工作由飛控計(jì)算機(jī)進(jìn)行。慣性導(dǎo)航模塊的硬件主要包括兩個(gè)雙軸陀螺、兩個(gè)雙軸加速度計(jì)（組成六自由度的慣性敏感元件）和一個(gè)面向控制的DSP。陀螺：Gyratoin公司MicroGyro100，測(cè)量范圍±150度/秒，解析度0.15度/秒，模擬輸出。加速度計(jì)：AD公司ADXL202,測(cè)量范圍±2g，分辨率2mg，PWM數(shù)字輸出。DSP:TI公司面向控制的TMS320F2812，它具有150M的主頻，內(nèi)部集成了齊全的外設(shè)，包括：增強(qiáng)型CAN模塊，增強(qiáng)型串口通信控制模塊，12位高速A/D轉(zhuǎn)