数字式无人机飞行控制系统的实现

2021-11-20庄淡盛

电子技术与软件工程 2021年19期

庄淡盛

（南昌航空大学江西省南昌市 330063）

无人机随着科技的发展和军事战略理念的转变，在军事、民用等方面都有及其广泛的应用。无人机应用规模的不断扩展也促使人们对无人机的操作性能提出了更高的要求，无人机飞行自动化控制系统已经被广泛认为是为无人机自动化飞行的基础和核心，逐渐被相关人员所重点关注。数字无人机飞行控制系统的开发将使自主无人机发动机的导航和自动控制功能得以实现，这些技术手段的实现依靠许多复杂的数据处理技术。在现代的数字化时代背景下，大多数的传感器，例如，捷联磁控传感器、GSP导航接收机、气压高度/空速传感器等远程通信设备和机载软件以数字格式传输和交换信息。因此，选择高性能PC104总线嵌入式计算机系统电路飞控系统布局，它具有高性能接口模型、高性能模块电源、专用ATC功能模型和传感器、执行器、任务控制等。高性能的无人机飞行控制系统由它们组成。

1 飞行控制技术若干关键技术研究

1.1 无人机建模技术

无人机建模技术包括机械建模、系统辨识模型、模型精度和管理系统设计之间的权衡，这主要是由于这种方法容易因为导致气动而使设计参数过多，增加了工作的难度，并且辨识到的结果具有局限性。在实践中，将机构建模技术应用到空气动力学等空气动力学技术中，对无人机技术手段进行深入研究，主要包括地面六自由度模型、非线性模型和动力学模型，从两个或三个简单的自由度模型发展到基于六自由度的模型，同时考虑了地面上UAN解决方案的空气动力和载荷因素，将刚性模型转化为柔性模型，对无人机系统进行仿真，可以指导无人机的设计和开发，展示无人机的真实业务性能。模型的复杂性和准确性越高对实际系统的响应越紧密，但同时也导致认为控制系统的设计与实现难度系数越大，因此需要建立模型的精度和控制系统的设计才能找到折衷方案。总之，无人机仿真技术提高了地面运动控制质量。

1.2 飞行控制率确认与评估技术

无人机飞行控制律确认并评估技术是飞行安全和获得飞行许可证的关键技术，以及飞行控制技术中的一个重要环节，通常采用的方法是：μ分析ν-GAP分析、基于多项式分析、分支分离和基于优化的理论分析，用于可预测条件下飞行控制系统中指标参数的分析和测量，为满足飞行安全和质量要求，提高设计效率和可靠性。

2 飞行控制器构成

为了执行上述功能，无人机需要获得包括俯仰信息在内的实时位置信息，实时监测无人机的倾斜度和飞行航向，包括无人机飞行的航向、高度等重要信息。通过这些重要的信息，来完成控制和导航任务。

在收集空间位置和姿态数据时，由于许多传感器的输出信号是模拟的，ATC计算机必须具有以极高的精度获得多路模拟数据的能力。RS-232或RS-485被广泛用于传感器、遥控器、遥感器和微处理器之间的信息交换。因此需要微处理器和外围传感器的工作电压值不同，因此，需要多个不同级别的输入输出接口，输出控制参数必须是模拟和数字的，并以不同的格式输出。传感器在系统中的工作方式需要状态控制，例如在紧急情况下可能会断电。蓄电池在控制模式下工作，断电后可利用备用电源提高系统的可靠性。在设计硬件时，必须考虑所有这些元素。

3 系统结构与配置

（1）飞控计算机：ATC计算机是由PC-104总线控制的智能型586的工业计算机，其基本特点使重量轻、体积小、可靠性高、低成本等。另外，它的配置和功能模块都比较灵活和齐全，以及闪光灯飞行的代码和注册数据。兼容大多数的操作系统，并且具有自主开发的功能。无人机飞行控制系统的飞行控制计算机包括A/D交换机、开关接口、串行数据接口、D/A转换面板、预输入仿真面板、离散I/O和光电隔离/驱动面板、DC/DC电源转换面板。

（2）垂直陀螺：用于感知飞机的高度和倾角。工作俯仰角范围在±30°。

（3）角速度陀螺仪：接收输出在±60°/s范围内、输出为模拟电压信号的三轴飞行器角位置信号。

（4）GPS接收机又称GPS，能够接收来自空中定位卫星的信号，提供用户所需的时间、位置、速度等重要信息。使用RS232接口，9600调制速率，更新速率为1赫兹。

（5）高度空速传感器：为用户提供知识空速、气压高度、真空速度、垂直速度等重要信息资源。使用RS485接口，调制速率9600。更新速度20Hz。

（6）磁航向传感器：系统中的磁航向信号和磁膜方向用于磁场测量，测量的磁场加到物体轴线三分量的位置信号中，达到当前无人机坐标系的方向。更新速度为25Hz，航向角0～360°。

（7）系统获取无线电高度信息需要使用到无线高度表和信号转换器，使用RS232接口，9600调制速率，更新的速率为25赫兹。

（8）执行机构：转向由三台位置反馈、速度反馈的转向机进行。

（9）遥控遥测：控制计算机输出的指令信息，从飞行控制系统获取遥测信息。RS422通信接口，调制速率9600。

（10）地面检测：航路安装、电子接口启动和飞控系统地面检测应通过地面检测接口进行，调制速率9600。

4 控制策略及软件设计

无人机控制系统分为姿态保持与高度保持与控制、速度控制和自主导航模式、实现自动起降模式，满足无人机飞行所需要的功能。基于垂直陀螺仪的陀螺位置信号控制高度舵、方向舵和副翼，三轴角位置速度是稳定和飞行控制的内部回路。

GPS定位、方向指示灯、气压、高度高速传感器、速度信号和无线电高度表，计算机软件的设计和开发是计算机执行任务的关键因素。无人机飞行控制系统的主要特点是功能多、逻辑和实时性要求高。

无人机飞行控软件包括以下模块：

（1）基本完成系统初始化的初始化模块，包括RAM、AD/DA初始化，初始化串行导入、参数等；

（2）用来处理时间的功能模块，与实践相关的循环任务都由它来执行，包括对传感器信号数据的收集工作、对飞行控制规律的计算、遥测信息的传输、执行机构的控制、离散信号的输入和输出、对飞行模式的控制等，包括按20ms控制规律计算；

（3）对串行中断进行处理的功能模块，用来接收GSP、高空FTL传感器、磁制到传感器等发出的信号。

为了解决这些问题，必须开发出具有多功能的软件设施。该软件的设计应包括多通道实时过程设计、异步/并行事件处理、时间冲突等。设备/软件编程技术用于控制时间，以便在程序紧急情况下检测故障或防止故障导致的数据传输；将采用关键信息技术冗余和软件开发策略，确保在软件不运行时，根据关键信息恢复软件工作，故障前检测。

5 飞行控制器硬件设计实现

基于数字化无人机的较小体积，载荷功率低，机载设备必须尽可能小巧轻便，这样既可以提高无人机在飞行过程中的稳定性，又有效提高了飞行系统的相应速度。

5.1 CPU控制单元

选用由SiliconIab公司自主研发的C8051Fxxx单片机，体积小、功能齐全、方便调试是次单片机的主要特征。C8051F已为配备监控系统所需的模拟和数字边缘的系统选择了一个微芯片，包括看门狗、ADC、DAC电压基准、基线电压、定时器、PWM和方波输出，以及多个总线连接，包括UART.SPI和SMBUS总线。C8051F单片机具有与8051和MCS-51指南兼容的快速CIP-51内核。

5.2 电源单元

3大概就是C8051F的工作时的电压，而其他外部电路的工作电压主要为5V。C8051F采用稳定的5V播放器结构，可直接从数字输出接收5V电压，同时不产生有害电流。最大输出电压为2.7～3.6V，舵机为5V。为了满足5.V输出功率，输出输出必须通过上拉拔电阻获得5V，逻辑“1”将提升到5V。

5.3 遥控/自主模式切换单元

地面遥控器将AP自动驾驶仪切换到1通路，通过车载接收器接收信号，并通过RC滤波器回路将PVC信号转换为连续电压信号，开关电压分别接近2.5V和1.5V。如果输入信号＞2V，则通过比较器输出1，输入信号＜2V，比较器输出0。比较器输出信号与单层机上的输出P4.7连接，在这种情况下，支座水平会出现断裂，导致维护失败，评估引号P4.7的更改，如果比较器输出为1，则置电子开74LS157的1脚为高，无人机则切换到遥控方式，如果比较器输出为1，则置电子开关74LS157的1脚为低，无人机则切换到自主飞行控制状态。

5.4 高度、空速捕获单元

8通道12位ADC是一种时序近似ADC，是一种C8051F120芯片。每架控制指令无人机的精度和通道数都能达到高标准，先进的微机采用专门设计的放大电路和尖峰压力传感器、灵敏度高、能耗低、重量小等特点。单品机的Ad端口可与空速和高度表结合使用，并根据要求将其转换成数字式的信号资源。

5.5 电子罗盘、GPS数据采集单元

电子罗盘不提供出发功能，这一点与GSP采样频率有所不同，如果对所有数据的接收都是由单片机来完成，这就不可避免地导致时间顺序错误、信息丢失甚至系统丢失。为了解决异步定时问题，系统采用多MCU控制器和分布式结构，CPU时钟频率为20MHz，主处理器为C8051F120，其余采用C8051F330作为缓冲网络，用于不同的数据处理目的，每一个单板请求通信使用12C总线，C8051F1200作为主单片机，其余C8051F330作为单片机，主单片机从单片机中获取数据。所谓的调查是，除了12个CBUS的SDA和SCL之外，需要另一条电缆。通过它报告是否有信息可下载到主计算机。尽管在这样的结构下，L/O中的很多端口都采用了主控组件，但这样可以提高无人机控制系统的整体及时性，数字化无人机在飞行过程中对导航数据的高度需求可以被充分满足。

5.6 频率信号的输出单元

数字舵机控制信号想要实现控制副翼、升降、方向和发动机的机转速舵机，需要使用4路PWM信号输出，在c8051f1200中集成PCA模块，可实现六路PWM，其数量和精度完全满足系统的要求，并配置了PCA模块，实现了C8051F120高速输出。cexn输出的逻辑电平只发生一次，同时调用中断来实现16位的PWM功能。