王爾申,張芝賢,雷 虹,孫延鵬

(1.沈陽航空航天大學電子信息工程學院,沈陽 110136;2.電磁環(huán)境效應(yīng)航空科技重點實驗室,沈陽 110035)

1 引 言

無人飛機(UAV),包括無人作戰(zhàn)飛機(UCAV)是當今世界軍用武器發(fā)展的一個熱點,同時其在民用領(lǐng)域亦有廣闊的應(yīng)用前景。無人機正朝著微型化、長航時、中高空作業(yè)、太陽能供電等趨勢發(fā)展。高效、可靠的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng),通用的地面控制系統(tǒng),機載通信情報偵察系統(tǒng)高性能的任務(wù)載荷設(shè)備都是無人機系統(tǒng)研究的熱點技術(shù)[1]。由于無人機具有的低成本、輕結(jié)構(gòu)、高隱身、長航時等特點,決定了其對復合材料有特殊的需求。在各種無人機上幾乎無例外地大量使用了復合材料,如美國的“捕食者”除機身大梁外全機由復合材料制成,著名的高空長航時無人偵察機“全球鷹”除機身主結(jié)構(gòu)外,其余均由復合材料制成,包括機翼、尾翼、大雷達罩等部件[2]。

隨著復合材料技術(shù)的發(fā)展,特別是先進復合材料,具有比強度高、比剛度高、耐腐蝕、疲勞性能好、可設(shè)計性強等一系列獨特的優(yōu)點,使得復合材料在無人機結(jié)構(gòu)設(shè)計上起到了不可代替的至關(guān)重要的作用。

航空電子系統(tǒng)作為無人機重要的組成部分,其性能的好壞是無人機能否安全飛行、完成預定任務(wù)的關(guān)鍵。隨著電子技術(shù)、計算機、信號處理以及微電子機械(MEMS)等技術(shù)的飛速發(fā)展以及無人機技術(shù)的不斷發(fā)展,無人機航電系統(tǒng)正朝著智能化、模塊化、綜合化和高性能化的方向發(fā)展[3-5]。

本文結(jié)合復合材料無人機總體指標要求:具備自主起飛、自主安全著陸功能;具有手動、自動控制功能;具備實時保持與地面進行通信等性能,以減少機載設(shè)備的重量、體積、成本和提高飛行的整體性能為設(shè)計原則,對其中的航電系統(tǒng)深入分析的基礎(chǔ)上進行了改進設(shè)計,并針對復合材料是一種非金屬材料,具有特殊的電磁性能,對航電系統(tǒng)各設(shè)備的安裝、電纜敷設(shè)以及系統(tǒng)聯(lián)合調(diào)試等相關(guān)問題進行了探討。

2 航電系統(tǒng)的整體設(shè)計

復合材料無人機航電系統(tǒng)采用綜合模塊化設(shè)計思想,其功能主要實現(xiàn)對各種通信傳感器的控制管理,接收各種導航傳感器的導航數(shù)據(jù),并根據(jù)飛行任務(wù)實現(xiàn)對執(zhí)行機構(gòu)的控制管理,確保無人機安全飛行,并完成規(guī)劃任務(wù)。為了滿足上述功能,其組成主要包括三大部分,即電源系統(tǒng)、機載系統(tǒng)(飛控系統(tǒng)、GPS導航接收機、舵機、數(shù)據(jù)鏈路終端)和地面站系統(tǒng)[6]。其中,電源系統(tǒng)為無人機航電系統(tǒng)提供合適的電壓;飛控系統(tǒng)根據(jù)GPS導航信息控制伺服機構(gòu)進行飛行控制,再通過集成的速度壓力傳感器、高度壓力傳感器、三軸陀螺和加速度計等傳感器測得的數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)融合算法得到飛機姿態(tài),如飛行速度、高度、航向、俯仰角、滾動角等,不斷對伺服機構(gòu)進行調(diào)整,控制飛機按照預定的航線進行飛行;地面站系統(tǒng)包括地面控制站(數(shù)據(jù)鏈路終端、地面站硬件及配套軟件),主要負責配置自動駕駛儀參數(shù)、規(guī)劃飛行任務(wù)、顯示航路點和實時修改任務(wù)規(guī)劃、監(jiān)視飛行姿態(tài)位置以及分析飛行數(shù)據(jù)等。系統(tǒng)各個組成部分通過相應(yīng)的總線進行通信,機載系統(tǒng)與地面系統(tǒng)之間通過無線數(shù)據(jù)鏈路進行通信。其系統(tǒng)組成框圖如圖1所示,本文重點討論機載航電系統(tǒng)的設(shè)計。

圖1 復合材料無人機航電系統(tǒng)原理框圖Fig.1 General architecture of the avionics system for composite material UAV

2.1 航電系統(tǒng)電源的設(shè)計

電源為無人機機載設(shè)備提供正常的工作電壓。機載系統(tǒng)中電子設(shè)備的種類繁多,設(shè)備內(nèi)部電路的供電需求也各異。另外,考慮系統(tǒng)設(shè)備工作的穩(wěn)定性和可靠性需要,設(shè)計中將大電流與小電流設(shè)備的電源分別供電。因此,需要多個電源轉(zhuǎn)換器進行電壓轉(zhuǎn)換。本電源電路其中一路將鋰電池輸出的28 V電壓通過開關(guān)電源轉(zhuǎn)換為12 V電壓,采用線性穩(wěn)壓器,得到5.5 V電壓提供給飛控系統(tǒng)、超聲波高度計等設(shè)備作為電源。另一路將鋰電池輸出的28V電壓通過開關(guān)電源轉(zhuǎn)換為12 V電壓,為各種舵機供電。同時,本系統(tǒng)在電源設(shè)計時采用濾波和吸收方法來抑制電源引入的干擾[7],電源系統(tǒng)框圖如圖2所示。

圖2 無人機航電系統(tǒng)電源設(shè)計原理Fig.2 Design principle of power for UAV

根據(jù)無人機的飛行任務(wù)要求,針對航電系統(tǒng)中各個模塊設(shè)備的工作狀態(tài),對其耗電情況進行理論分析和計算。為了安全起見,在滿足飛行任務(wù)要求的前提下,鋰電池的容量留有30%的余量。選定鋰電池參數(shù)特性為30 AH、28 V、5.4 kg。此外,由于復合材料自身導電性能較差,無法將其作為機載供電電源的負母線,在進行電源布線設(shè)計時需要將單線制供電方式設(shè)計為雙線制供電方式。

2.2 自動飛行控制系統(tǒng)的設(shè)計

自動飛行控制系統(tǒng)選用的是STA3X自動駕駛儀系統(tǒng),該系統(tǒng)集成了姿態(tài)航向參考系統(tǒng)(AHRS)和INS/GPS組合導航模式,是無人機航電系統(tǒng)的核心部分,用于接收各種傳感器的數(shù)據(jù),通過相關(guān)控制算法得到舵機控制參數(shù),實現(xiàn)對無人機的實時控制;并接收數(shù)據(jù)鏈路的數(shù)據(jù),接受地面站的指令控制飛行;并將飛行的飛行狀態(tài)通過數(shù)據(jù)鏈傳遞給地面站。該自動駕駛儀為用戶提供了良好的控制律開發(fā)環(huán)境。其系統(tǒng)硬件采用工業(yè)級TI系列DSP處理器、集成24 bit ADC、三軸速率陀螺、三軸加速度計、三軸磁力計、雙嘴空速傳感器、氣壓高度計、5 HzGPS接收機。此外,可選配PWM/離散信號擴展器等。系統(tǒng)接口有RS-232、RS-485,可方便與舵機等其他外設(shè)進行連接。

2.3 舵機系統(tǒng)的設(shè)計

根據(jù)氣動力實驗提供的鉸鏈力矩相關(guān)參數(shù),舵機選用大功率無刷舵機DA26,該舵機最大的特點是:在惡劣的環(huán)境下,工作具有高可靠性。該舵機將無觸點、無磨損、無刷電動技術(shù)相融合,降低噪聲電磁干擾(EMI),提高了使用壽命和效率?？刂平涌谶x取RS-485接口,與飛控系統(tǒng)接口靈活,控制方便。

2.4 超聲波傳感器的設(shè)計

超聲波測距傳感器由自動飛行控制系統(tǒng)控制發(fā)出超聲波,通過檢測超聲波發(fā)射后遇到障礙物所反射的回波,進而測出發(fā)射和接收回波的時間差,從而根據(jù)聲波傳輸速度求出距離。超聲波測距儀主要是用于無人機自動起飛和降落過程中測量無人機相對地面的高度,進而為無人機自動起飛和降落提供可靠的高度數(shù)據(jù)。本設(shè)計采用美國Senscomp公司的超聲波模塊600,測量精度1%,重量19 g,供電電壓6～24 V,供電電流55 mA,發(fā)射超聲波時要求供電電流能提供2 A的負載能力,超聲波發(fā)射頻率50 kHz,標稱測量范圍從15.24 cm～10.668 m,符合無人機在起飛、降落時對高度測量范圍和精度的要求。

2.5 數(shù)據(jù)鏈路系統(tǒng)的設(shè)計

數(shù)據(jù)通信鏈路采用美國MDS的產(chǎn)品TransNET900的無線數(shù)傳模塊EL805,用于實現(xiàn)無人機和地面站之間的信息傳輸,將地面站操控終端的飛行指令、飛行路徑數(shù)據(jù)等控制信息傳輸?shù)綗o人機上,并將無人機位置、方向、飛行狀態(tài)和姿態(tài)等參數(shù)回傳到地面站。該模塊具有接收靈敏度高、抗干擾和保密性強的特點。同時,無線數(shù)傳模塊EL805可進行組網(wǎng)設(shè)計,用于擴大監(jiān)控區(qū)域。該模塊工作頻率900MHz,傳輸速率115.2 kbit/s,工作電壓6～30 V DC,接口為 RS-232。

2.6 差分GPS定位系統(tǒng)的設(shè)計

無人機安全著陸是非常重要的,飛控系統(tǒng)自身集成的單頻GPS接收機定位精度在10 m(CEP)范圍內(nèi),不能滿足無人機的自主起飛和自主著落要求,為了使無人機安全著陸并且精確地執(zhí)行任務(wù),根據(jù)實際需要,在本航電系統(tǒng)中建立了GPS差分定位系統(tǒng),通過進行實時差分進一步提高定位的精度。

在此設(shè)計中,選用美國的PDL專業(yè)數(shù)傳電臺,基準站部分采用35 W的大功率發(fā)射電臺,移動站采用2 W的數(shù)據(jù)接收電臺。設(shè)計中GPS差分接收機采用NovAtel FlexPak-V1做為基準站,用來生成RTCM SC-104差分校正數(shù)據(jù)。GPS差分電臺和飛控系統(tǒng)的接口關(guān)系以及地面站GPS基準站和數(shù)傳電臺的接口如圖3和圖4所示。

圖3 GPS差分電臺與飛控系統(tǒng)的接口框圖Fig.3 Interface between DGPS and autopilot

圖4 GPS差分接收機與數(shù)傳電臺的接口框圖Fig.4 Interface between DGPS and data link

3 航電系統(tǒng)設(shè)備的布局

隨著電子、電氣、計算機、控制理論與控制工程等科學技術(shù)的發(fā)展,飛機電子設(shè)備類型、數(shù)量和工作方式愈來愈多,頻率覆蓋范圍不斷擴展,發(fā)射功率愈來愈大,接收靈敏度愈來愈高,機上設(shè)備共用的電磁環(huán)境也越來越復雜,復雜的電磁環(huán)境對機上電子設(shè)備提出更為苛刻的電磁兼容性要求。因此,對航電系統(tǒng)設(shè)備的布局提出了更高的要求。

機載電子設(shè)備的安裝布局要考慮工藝要求和EMC設(shè)計兩方面的因素[6-7]。如數(shù)據(jù)鏈路天線反射板的合理尺寸設(shè)計?？紤]到發(fā)動機點火時瞬間產(chǎn)生火花以及工作時產(chǎn)生的振動,將敏感設(shè)備比如自駕儀、超聲波高度計遠離發(fā)動機,并避免與大功率無線收發(fā)機靠近。無人機航電系統(tǒng)電纜敷設(shè)主要考慮航電飛控系統(tǒng)與其他系統(tǒng)之間的電連接關(guān)系之外,考慮滿足電磁兼容性能要求。著重考慮以下幾點:機載航電設(shè)備的電搭接、負線板的設(shè)計與安裝、靜電防護、電磁輻射防護、電纜通路的合理設(shè)計和接地等[8-9]。

4 航電系統(tǒng)調(diào)試需要注意的問題

機上航電設(shè)備較多,整個系統(tǒng)在同一個電磁環(huán)境下正常工作,任何設(shè)備的工作都不應(yīng)造成其他設(shè)計性能的下降。為此,在進行航電系統(tǒng)聯(lián)合調(diào)試時需要考慮以下問題。

(1)檢查空速傳感器:用注射器和一段油管在空速傳感器上或用手指壓住空速管,以產(chǎn)生一個正的氣壓,檢測空速管的讀數(shù)。

(2)檢查超聲波高度計:將安裝超聲波的機體舉起,離開地面,超聲波高度表的讀數(shù)應(yīng)該增加,正比于機體離開地面的高度。

(3)檢查GPS接收機:在室外對自動駕駛儀加電,觀察GPS接收機是否工作正常,用多長時間鎖定,能夠正常給出定位數(shù)據(jù)。如果接收機是冷啟動,可能需要幾分鐘才能鎖定;如果在當天已經(jīng)加電,可能定位得快,約1 min以內(nèi)。

(4)檢查俯仰陀螺和滾轉(zhuǎn)陀螺:將機頭抬起或滾動飛機一定角度,觀察其相應(yīng)的讀數(shù)是否正常。

(5)檢查舵機:通過對機體姿態(tài)調(diào)整,觀察相應(yīng)舵機(包括升降舵、方向舵、副翼等)動作是否合理。

(6)檢查干擾:對所有安裝在飛機上的 RF(射頻)發(fā)射機進行干擾檢查。由于系統(tǒng)上安裝了無線數(shù)據(jù)鏈路,需要檢查數(shù)據(jù)鏈路工作時是否影響其他的傳感器工作。如果舵機、自動駕駛儀等傳感器工作異常,則重新考慮安裝無線數(shù)據(jù)鏈路的天線以消除干擾。

5 結(jié) 論

本文結(jié)合復合材料無人機航電系統(tǒng)的設(shè)計,建立了一套完整的無人機航電控制系統(tǒng)的工程設(shè)計方案。對無人機系統(tǒng)的指標進行了理論分析,以此為依據(jù)通過計算選擇合適的航電設(shè)備模塊,將總線技術(shù)應(yīng)用在無人機航電系統(tǒng)的設(shè)計實踐中,有利于航電系統(tǒng)外圍設(shè)備的接口連接和功能擴展,推動了無人機航電系統(tǒng)小型化、智能化和模塊化的發(fā)展。研究表明,無人機航電系統(tǒng)設(shè)計過程中要自始至終注重EMC的設(shè)計才能確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。本文研究的復合材料無人機的航電系統(tǒng)設(shè)計,對復合材料無人機的應(yīng)用以及其他翼型無人機低成本航電系統(tǒng)的設(shè)計具有一定的意義和參考價值。在本硬件平臺基礎(chǔ)上可以進行飛控系統(tǒng)軟件改進算法的研究等工作。

[1] 梁德文.外軍無人偵察機系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢[J].電訊技術(shù),2001,41(5):116-121.LIANG De-wen.The Present Situation and Developing Trend of Foreign Military Reconnainssance UAV[J].Telecommunication Engineering,2001,41(5):116-121.(in Chinese)

[2] 陳紹杰.無人機上復合材料的應(yīng)用與研究[J].飛機設(shè)計,2003(3):26-30.CHEN Shao-jie.Application and Research of Composite for UAV[J].Aircraft Design,2003(3):26-30.(in Chinese)

[3] 朱華勇,牛軼峰,沈林成,等.無人機系統(tǒng)自主控制技術(shù)研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢[J].國防科技大學學報,2010,32(3):115-120.ZHU Hua-yong,NIU Yi-feng,SHEN Lin-cheng,et al.State of the Art and Trends of Autonomous Control of UAV Systems[J].Journal of National University of defense Technology,2010,32(3):115-120.(in Chinese)

[4] 李勁.我國未來空天飛機綜合電子信息系統(tǒng)的發(fā)展建議[J].電訊技術(shù),2010,50(3):102-106.LI Jin.Suggestions for Developing Integrated Electronics Information System for China′s Future Aerospace Plane[J].Telecommunication Engineering,2010,50(3):102-106.(in Chinese)

[5] 程學軍.新航行系統(tǒng)及其在航空電子系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].電訊技術(shù),2009,49(5):101-107.CHENG Xue-jun.Future Air Navigation System(FANS)and its Application in Avonics Systems[J].Telecommunication Engineering,2009,49(5):101-107.(in Chinese)

[6] Rosales J J,Toledo M,Bonardi L,et al.Development of a UAV Low-Cost Navigation System Prototype for ATM Applications[C]//Proceedings of the 22nd International Technical Meeting of the Satellite Division of the Institute of Navigation.Savannah,GA:ION,2009:3471-3479.

[7] 王爾申,胡青,張淑芳.基于GPR S和GPS船載終端系統(tǒng)的電磁兼容設(shè)計[J].儀器儀表學報,2008,29(3):524-529.WANG Er-shen,HU Qing,ZHANG Shu-fang.Electromagnetic compatibility design of terminal system for ship based on GPR S and GPS[J].Chinese Journal of Scientific Instrument,2008,29(3):524-529.(in Chinese)

[8] Goleanu A L,Guichon J M,Dunand M,et al.Design and Optimization techniques for the current return path in a composite aircraft[C]//Proceedings of the 2011-14th European Conference on Power Electronics and Applications.Birmingham:IEEE,2011:1-10.

[9] 王爾申,張淑芳,雷虹,等.復合材料無人機電磁兼容設(shè)計[J].電訊技術(shù),2011,51(11):107-111.WANG Er-shen,ZHANG Shu-fang,LEI Hong,et al.Electromagnetic Compatibility Design of a Composite Materials UAV[J].Telecommunication Engineering,2011,51(11):107-111.(in Chinese)