無人直升機飛行控制系統(tǒng)設計報告

無人直升機飛行控制系統(tǒng)設計報告摘要：本文介紹了用于無人直升機控制的飛行控制系統(tǒng)結構和分部分的主要性能，詳細闡述了系統(tǒng)設計方案以及設計思想。一整體系統(tǒng)描述整個系統(tǒng)可以分為機載部分和地面部分，機載部分負責維持飛機的穩(wěn)定飛行并提供圖像信息給地面部分，地面部分根據飛機的狀態(tài)以及得到的圖像信息作出下一步飛行的目標規(guī)劃并發(fā)送給機載部分，同時為了確保安全，防止自主飛行機構失控，添加了可由操作手控制的控制器。地面部分與機載部分之間有兩條數(shù)據鏈路——負責傳送圖像和傳送飛行狀態(tài)和指令。圖像傳送的數(shù)據鏈路通過購買成品解決，另外負責傳送飛行狀態(tài)和指令的部分也已經有方案可以解決（目前正在開發(fā)的部分雖然包括擴頻通信，但是由于技術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目）。地面部分可以分為地面站和圖像處理平臺，前者與機載飛行控制器通訊以發(fā)送控制命令并獲得飛機狀態(tài)信息，后者獲取機載攝像頭的圖像并做處理以搜尋比賽目標。機載部分將在后一部分詳述。

二飛機內部系統(tǒng)描述為了完成自主飛行任務，飛機需要相關功能部件完成對飛機狀態(tài)信息的采集、對執(zhí)行部分的控制以及對地面站命令的響應等功能。在無人機上，替代飛行員或操作手完成飛行任務的自主機構包括圖像設備、飛控模塊、高度測量、舵機控制、數(shù)據鏈路以及航姿儀等，如下圖所示：圖像設備飛控模塊高度測量舵機控制數(shù)據鏈路航姿儀圖像設備飛控模塊高度測量舵機控制數(shù)據鏈路航姿儀各個模塊之間相對獨立，均可單獨完成一定的功能，模塊之間的相互連接采用總線實現(xiàn)，硬件上采用PC104標準，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準，但是在直升機實際飛行的環(huán)境中存在震動、電磁等干擾因素，可能影響到數(shù)據傳輸?shù)目煽啃?，為了保證正確的數(shù)據傳輸，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)采用的標準，具有技術較成熟的優(yōu)勢；CAN總線對于數(shù)據包的傳送更為方便，克服了422只能采用主從模式以及工作在輪詢模式的缺點，并且具有更高的數(shù)據傳輸速度，是一種較新的標準，使用CAN總線也是對系統(tǒng)方案升級的嘗試。慣性導航系統(tǒng)與GPS為了實現(xiàn)對直升機姿態(tài)的控制，需要有飛機各個方向的速度位置信息等，慣性導航系統(tǒng)的算法通過對慣性測量單元(IMU)提供的加速度和角加速度的積分，得到機體的位置、速度和姿態(tài)信息(PVA)。從硬件上來說，該模塊是實現(xiàn)了對各個加速度和角加速度傳

慣性導航系統(tǒng)與GPS感器的信息采集，但是僅僅通過以上簡單的慣導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積分的累計誤差會使計算結果很快偏離實際值。導航系統(tǒng)必須考慮這些誤差因素并對得到的PVA結果作出修正。慣性導航系統(tǒng)可分為平臺慣導系統(tǒng)和捷聯(lián)慣導系統(tǒng)，平臺慣導系統(tǒng)是通過一個機械平臺把慣性敏感元件與機體的角運動隔離開、使之跟蹤某個給定的坐標系，從而給出相對于給定坐標系的運動信息，而捷聯(lián)慣導系統(tǒng)是將慣性敏感元件直接固定在飛行器機體上，通過計算機采集慣性元件的輸出并解算出飛行器相對于給定坐標系的運動信息。捷聯(lián)慣導系統(tǒng)相對于平臺系統(tǒng)來說，通過計算機程序實現(xiàn)了平臺的作用，簡化了硬件復雜性，提高了系統(tǒng)的可靠性和可維護性，更容易實現(xiàn)。慣性導航模塊的設計目標是實現(xiàn)一個獨立的數(shù)字捷聯(lián)慣導系統(tǒng)：采集慣性敏感元件的輸出信號并進行解算，給出飛行器相對與給定坐標系的運動信息，通過總線實時地發(fā)送給飛行控制計算機。系統(tǒng)最初的設計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，實現(xiàn)信號采集和運算的DSP。由于時間緊迫，慣性導航模塊僅實現(xiàn)對陀螺和加速度計的數(shù)據采集，通過總線實時的發(fā)送給飛控計算機，下一步的運算工作由飛控計算機進行。慣性導航模塊的硬件主要包括兩個雙軸陀螺、兩個雙軸加速度計（組成六自由度的慣性敏感元件）和一個面向控制的DSP。陀螺：Gyratoin公司MicroGyro100，測量范圍±150度/秒，解析度0.15度/秒，模擬輸出。加速度計：AD公司ADXL202,測量范圍±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，內部集成了齊全的外設，包括：增強型CAN模塊，增強型串口通信控制模塊，12位高速A/D轉