航空器模型飛行試驗(yàn)飛控系統(tǒng)硬件平臺(tái)方案評(píng)審V11

1、方案評(píng)審目錄概述1飛行控制系統(tǒng)2研制要求3研制方案4研制進(jìn)度51.概述概述 本研制方案是受中國空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心計(jì)算空氣動(dòng)力學(xué)研究所委托，根據(jù)航空器模型飛行實(shí)驗(yàn)的需求，設(shè)計(jì)的航空器模型飛行試驗(yàn)飛行控制系統(tǒng)硬件平臺(tái)。方案的設(shè)計(jì)主要依據(jù)航空器模型飛行試驗(yàn)飛控系統(tǒng)硬件平臺(tái)研制總體方案設(shè)計(jì)合同以及技術(shù)要求進(jìn)行。2.1.2.2控制回路2.1.2.1控制對(duì)象2.飛行控制系統(tǒng)飛行控制系統(tǒng)2.1.1飛行控制系統(tǒng)的主要功能2.2.飛行控制系統(tǒng)基本構(gòu)成2.2.1傳感器2.2.2舵機(jī)2.2.3飛行控制器2.1 飛行控制系統(tǒng)的基本原理2.1.2.飛行控制系統(tǒng)基本構(gòu)成2.1.1飛行控制系統(tǒng)的主要功能飛行控制系統(tǒng)的主

2、要功能飛行控制系統(tǒng)在無人機(jī)上的功能1、飛行控制 即無人機(jī)在空中保持飛機(jī)姿態(tài)和航跡的穩(wěn)定，以及按地面無線電遙控指令或者預(yù)先設(shè)定好的高度、航線、航向、姿態(tài)角等改變飛機(jī)姿態(tài)與航跡，保證飛機(jī)的穩(wěn)定飛行，值就是通常所謂的自動(dòng)駕駛。2、飛行管理 即完成飛行狀態(tài)參數(shù)采集、導(dǎo)航計(jì)算、遙測(cè)數(shù)據(jù)傳送、故障診斷處理、應(yīng)急情況處理、任務(wù)設(shè)備的控制與管理等工作。著也是無人機(jī)進(jìn)行無人飛行的基礎(chǔ)。 飛行控制的目的是通過飛行器的姿態(tài)和軌跡來完成飛行器的各種模態(tài)的控制任務(wù)，這主要通過飛行控制系統(tǒng)來完成。飛行控制系統(tǒng)作為飛行器機(jī)載設(shè)備的核心組成部分，能否正常工作直接影響著飛機(jī)飛行的各種性能和飛行安全。2.1.2飛行控制系統(tǒng)的基本

3、原理飛行控制系統(tǒng)的基本原理2.1.2.1.控制對(duì)象飛行控制系統(tǒng)改變或保持飛機(jī)的飛行姿態(tài)及航跡。主要通過控制以下飛行參數(shù)來實(shí)現(xiàn)：1）俯仰角2）傾斜角3）飛行高度4）飛機(jī)中心的地理坐標(biāo)其中俯仰角、傾斜角實(shí)現(xiàn)對(duì)飛機(jī)姿態(tài)的調(diào)整飛行高度、航向角、飛機(jī)中心的地理坐標(biāo)實(shí)現(xiàn)對(duì)航跡的控制。執(zhí)行機(jī)構(gòu)改變飛機(jī)的各個(gè)控制面（也稱操作縱面）從而實(shí)現(xiàn)對(duì)飛行參數(shù)的控制的。無人機(jī)主要有三個(gè)控制面：升降舵、副翼和尾翼（方向舵）。 a）升降舵主要控制飛機(jī)俯仰角調(diào)整飛行高度； b）副翼主要控制滾轉(zhuǎn)角大角度調(diào)整航向； c） 尾翼主要控制小幅度航向的改變。由這些控制面與相應(yīng)的控制設(shè)備就構(gòu)成了飛機(jī)的三個(gè)主要控制通道，即升降通道（平尾通道

4、），副翼通道（傾斜通道）和方向舵通道（航向通道）。這也構(gòu)成了最基本的飛行自動(dòng)控制系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)飛機(jī)姿態(tài)及重心位置的調(diào)節(jié)和控制。 飛行控制系統(tǒng)是由各種傳感器取得飛行參數(shù)或者人工輸入的指令，通過對(duì)飛機(jī)俯沖仰角、滾動(dòng)角、速度、高度等的調(diào)整，模仿飛行員的操縱，自動(dòng)的保持和控制飛機(jī)的姿態(tài)和飛行軌跡，2.1.2飛行控制系統(tǒng)的基本原理飛行控制系統(tǒng)的基本原理2.1.2.2.控制回路飛行控制系統(tǒng)是一個(gè)典型的閉環(huán)控制系統(tǒng)?？刂骑w行的原理： 飛機(jī)如果偏離控制器預(yù)設(shè)狀態(tài)（飛行姿態(tài)改變），由傳感器探測(cè)到偏離方向及大小，對(duì)控制器輸出相應(yīng)信號(hào)?？刂破鹘?jīng)過運(yùn)算處理，輸出控制信號(hào)操縱執(zhí)行機(jī)構(gòu)（即舵機(jī)），控制面發(fā)生相應(yīng)變化，使

5、飛機(jī)趨于設(shè)定狀態(tài)。當(dāng)飛機(jī)達(dá)到預(yù)定狀態(tài)，則舵機(jī)及相應(yīng)舵面回歸原位，飛機(jī)按設(shè)定姿態(tài)正常飛行，這就構(gòu)成了飛行控制面的基本回路。根據(jù)這一基本控制原理，可以構(gòu)成穩(wěn)定控制回路（提高飛行穩(wěn)定性及操作性）、姿態(tài)控制回路（控制飛行姿態(tài)角）和航跡控制回路（控制飛機(jī)高度和航向等），從而構(gòu)成一個(gè)飛行控制系統(tǒng)。 eg.飛機(jī)由高度1千米向北平飛、高度降到600米向西平飛的情況： 首先，下降期望狀態(tài)輸入至飛行控制器（以下簡稱飛控器），飛控器發(fā)出指令控制舵機(jī)，使升降舵下壓，機(jī)翼產(chǎn)生力矩使飛機(jī)俯仰角變化（飛機(jī)頭向下傾斜）。 傳感器測(cè)的姿態(tài)變化并反饋到飛控器，通過姿態(tài)控制使飛機(jī)保持下降姿態(tài)。 高度達(dá)到600米時(shí)，高度傳感器將測(cè)取

6、的高度信號(hào)反饋到航跡控制器，航跡控制器發(fā)出指令，控制舵機(jī)使升降舵上抬，飛機(jī)抬頭保持600米高度飛行。 飛控器并根據(jù)輸入的轉(zhuǎn)向期望狀態(tài)，并發(fā)出指令使尾翼發(fā)生變化，使飛機(jī)改向。2.2.飛行控制系統(tǒng)基本構(gòu)成飛行控制系統(tǒng)基本構(gòu)成負(fù)責(zé)飛行目標(biāo)規(guī)劃和各項(xiàng)數(shù)據(jù)分析防止自主飛行機(jī)構(gòu)失控負(fù)責(zé)采集飛機(jī)各項(xiàng)飛行參數(shù)、維持飛機(jī)的穩(wěn)定飛行和姿態(tài)控制飛行控制器傳感器舵機(jī)升降舵機(jī)副翼舵機(jī)風(fēng)門舵機(jī)速度傳感器高度傳感器GPS導(dǎo)航接收機(jī)電子羅盤2.2.飛行控制系統(tǒng)基本構(gòu)成飛行控制系統(tǒng)基本構(gòu)成傳感器 電子羅盤用于測(cè)量飛機(jī)的俯仰角、傾斜角以及航向角等與飛機(jī)姿態(tài)相關(guān)參數(shù)。電子羅盤將物理信號(hào)轉(zhuǎn)換為帶極性的電壓信號(hào)，表示角度的大小與正負(fù)。

7、現(xiàn)在一般的羅盤模塊都將傳感頭及其解算電路一體化，直接采用標(biāo)準(zhǔn)串口輸出數(shù)字信號(hào) 高度傳感器是基于大氣氣壓隨海拔高度變化的原理，實(shí)現(xiàn)對(duì)飛機(jī)飛行高度的測(cè)量，其關(guān)系可表示為： UH=KH UH為輸出信號(hào)，H為高度，K為常數(shù)。 不同地區(qū)的地面海拔高度不同，但實(shí)際飛行時(shí)關(guān)心的是飛機(jī)相對(duì)起飛點(diǎn)的高度，因此，不同地區(qū)飛行要在地面對(duì)高度傳感器進(jìn)行調(diào)零，使H為相對(duì)起飛點(diǎn)高度。 飛機(jī)速度可以根據(jù)飛機(jī)向前飛行時(shí)所產(chǎn)生的壓力、所在位置的大氣靜壓（高度傳感器測(cè)得的氣壓）以及他們之間的壓差解算得到。飛機(jī)速度換可以根據(jù)速度定義，直接采用GPS模塊得到的位置以及時(shí)間變化進(jìn)行解算。 GPS衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)是以串行碼形式，輸出飛機(jī)經(jīng)

8、過的經(jīng)/緯度坐標(biāo)和飛行速度向量等信息，采用控制飛機(jī)的重心位置（航跡）。GPS一般采用“多星、高軌、測(cè)時(shí)、測(cè)距”體制，以實(shí)現(xiàn)全球覆蓋、全天候、高精度、連續(xù)實(shí)時(shí)導(dǎo)航定位等。GPS本身是一個(gè)復(fù)雜系統(tǒng)，在飛行控制系統(tǒng)中，它僅是一個(gè)提供飛機(jī)經(jīng)/緯度坐標(biāo)和飛行速度向量等信息的部件。2.2.飛行控制系統(tǒng)基本構(gòu)成飛行控制系統(tǒng)基本構(gòu)成舵機(jī)飛行控制器 舵機(jī)是無人機(jī)上的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，它的作用是：將飛控器的輸出電信號(hào)轉(zhuǎn)變成機(jī)械位移量，帶動(dòng)舵面（或發(fā)送機(jī)風(fēng)門）偏轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)飛機(jī)的姿態(tài)位置（或發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速）控制。舵機(jī)分為模擬舵機(jī)、數(shù)字舵機(jī)兩種。模擬舵機(jī)根據(jù)輸入電壓與舵機(jī)位置反饋電壓的電壓差調(diào)整轉(zhuǎn)動(dòng)角度，當(dāng)電壓差為零時(shí)，舵機(jī)停止轉(zhuǎn)

9、動(dòng)，保持此平衡位置。而數(shù)字舵機(jī)則是根據(jù)PWM波形的脈沖寬度調(diào)整轉(zhuǎn)動(dòng)角度。無人機(jī)的舵機(jī)主要包括升降舵機(jī)、副翼舵機(jī)和尾翼舵機(jī)，其中升降舵機(jī)控制飛機(jī)的高度以及俯仰平衡，副翼和尾翼舵機(jī)控制飛機(jī)的左右傾斜平衡和航向。3.研制要求研制要求3.1.主要功能3.2.技術(shù)指標(biāo)要求3.1.主主要要功功能能3.2.技術(shù)指標(biāo)要求技術(shù)指標(biāo)要求3.2.1.CPU主控芯片要求主頻： 400Mhz整數(shù)運(yùn)算能力：1000 MIPS浮點(diǎn)運(yùn)算能力：2000 MFLOPS處理器性能：程序運(yùn)行空間程序運(yùn)行空間： 128Mb；程序存儲(chǔ)空間： 16Mb；試驗(yàn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間：512MB。3.2.2.設(shè)計(jì)指標(biāo)要求數(shù)據(jù)更新速率： 5 Hz；RTK

10、定位精度： 1cm+1ppm；冷啟動(dòng)鎖星時(shí)間：30s。量程： 300deg/s；軸到軸的對(duì)準(zhǔn)誤差： 0.05度；初始偏執(zhí)誤差1： 1.0deg/s；角度隨機(jī)游走1： 12deg/hr；運(yùn)動(dòng)中偏置穩(wěn)定度1： 1.0deg/hr；線性加速度導(dǎo)致的偏差： 0.013deg/s/g；速率噪音污染（5Hz，無濾波）：0.02deg/s/sqrt(Hz) rms；3dB帶寬： 330Hz；校準(zhǔn)及補(bǔ)償范圍：-4085度。量程： 18g；軸到軸的對(duì)準(zhǔn)誤差： 0.035度；初始偏執(zhí)誤差1： 16mg；運(yùn)動(dòng)中偏置穩(wěn)定度1：0.13mg；速度隨機(jī)游走1： 0.076m/s/sqrt(hr)；輸出噪聲（無濾波）： 1

11、 .5mg rms；噪聲密度（無濾波）： 0.06mg/sqrt(Hz) rms；3dB帶寬： 330Hz；校準(zhǔn)及補(bǔ)償范圍： -4085度。內(nèi)部更新頻率：200Hz。量程： 8高斯；最高采樣頻率：150Hz；航向精度： 2.0deg rms。靜壓量程： 103.35Kpa；壓力誤差： 0.26Kp；高度分辨率： 0.8m；動(dòng)壓： 13.78Kpa；支持最大空速：150m/s （540Km/h）；空速精度： 5%滿量程；校準(zhǔn)及補(bǔ)償溫度范圍：-1085度。GPS接收機(jī)軸陀螺儀軸加速度計(jì)軸磁傳感器氣壓傳感器3.2.技術(shù)指標(biāo)要求技術(shù)指標(biāo)要求3.2.3.外圍接口電路設(shè)計(jì)要求3.2.技術(shù)指標(biāo)要求技術(shù)指標(biāo)要

12、求輸入電壓范圍：直流6V28V；最大功率：30W（不包括無線數(shù)據(jù)鏈）。結(jié)構(gòu)尺寸：單個(gè)部件（145mm130mm55mm）；質(zhì)量：單個(gè)部件5Kg（含電氣接口、不帶GPS天線）；MTBF：不低于100h；連續(xù)工作時(shí)間：不低于8h。 滿足GJB900-1990系統(tǒng)安全性通用大綱中的一般系統(tǒng)安全性和GJB/Z142-2004軍用軟件安全性分析指南要求； 應(yīng)遵循一般電子產(chǎn)品通用設(shè)計(jì)規(guī)范及要求，避免可能發(fā)生的危險(xiǎn)。產(chǎn)品技術(shù)狀態(tài)明確，相關(guān)技術(shù)資料完備齊全，并保存妥當(dāng)；產(chǎn)品在運(yùn)輸、貯存、工作過程中嚴(yán)格按照產(chǎn)品要求進(jìn)行。滿足防潮濕、防鹽霧、防霉菌的三防要求。按照GJB151A-1997軍用設(shè)備和分系統(tǒng)電磁發(fā)射和敏感度要求進(jìn)行電磁兼容設(shè)計(jì)，考慮可能存在的干擾源和抗干擾的薄弱環(huán)節(jié)，保證系統(tǒng)內(nèi)和系統(tǒng)外間的電磁兼容性。產(chǎn)品壽命為10年。工作溫度：-40+65；儲(chǔ)存溫度：-55+85；相對(duì)濕度：95%（25）；工作海拔高度：15000m（海拔）；最大加速度：10g（三個(gè)方向）；沖擊加速度：10g（三個(gè)方向）；振動(dòng)：02000Hz；Gmax=4.13g。公路運(yùn)輸：三級(jí)公路：30km/h，200km；砂石路：15km/h，100km；鐵路：適合國內(nèi)鐵路運(yùn)輸