王冬明

(上海飛機(jī)設(shè)計(jì)研究院，上海　201210)

滑翔靶機(jī)飛行控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

王冬明

(上海飛機(jī)設(shè)計(jì)研究院，上海201210)

以DSP和FPGA相結(jié)合設(shè)計(jì)飛行控制計(jì)算機(jī)。以飛行控制計(jì)算機(jī)為核心，配合GPS接收機(jī)、垂直陀螺儀和舵機(jī)等器件，并以數(shù)字電臺(tái)作為靶機(jī)與地面站之間的通信設(shè)備，構(gòu)成靶機(jī)的新型低成本飛行控制系統(tǒng)。

靶機(jī);飛行控制;DSP;FPGA

靶機(jī)是主要的航空靶標(biāo)，是一種有翼面、可依靠自動(dòng)駕駛系統(tǒng)和無(wú)線電設(shè)備控制機(jī)動(dòng)飛行的無(wú)人機(jī)［1］。無(wú)人靶機(jī)是空軍的常用訓(xùn)練設(shè)備，對(duì)提高空軍和防空部隊(duì)的作戰(zhàn)能力有較大的幫助［2－3］。完整的靶機(jī)控制系統(tǒng)包括飛行控制系統(tǒng)和地面控制系統(tǒng)兩部分。

1　飛行控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)中被控對(duì)象為無(wú)動(dòng)力滑翔靶機(jī)，尾翼為4片梯形翼片，呈X型均勻分布，機(jī)翼有收起和展開(kāi)兩種構(gòu)型。尾翼為全動(dòng)作尾翼，由4個(gè)舵機(jī)分別驅(qū)動(dòng)調(diào)整偏轉(zhuǎn)角，調(diào)整靶機(jī)姿態(tài)。

靶機(jī)的工作狀態(tài)分為地面測(cè)試和數(shù)據(jù)裝訂、載機(jī)掛載飛行、自主滑翔飛行、解體回收4種，其功能要求如下:

a．保存預(yù)設(shè)的參數(shù)。

b．存儲(chǔ)飛行數(shù)據(jù)，并實(shí)時(shí)發(fā)送到地面站。

c．對(duì)靶機(jī)進(jìn)行遙控遙測(cè)。

d．控制靶機(jī)達(dá)到目標(biāo)飛行速度，保持平飛姿態(tài)。

e．若出現(xiàn)異常情況可解體回收。

f．解體后，繼續(xù)發(fā)送位置信息。

靶機(jī)飛行控制系統(tǒng)的控制器為嵌入式計(jì)算機(jī);傳感器有垂直陀螺和GPS接收機(jī)，垂直陀螺用于檢測(cè)靶機(jī)的俯仰角度和滾轉(zhuǎn)角度，GPS接收機(jī)用于提供靶機(jī)的海拔高度、經(jīng)緯度、速度和航向等信息;執(zhí)行器為電動(dòng)舵機(jī)，控制尾翼的偏轉(zhuǎn)角度;靶機(jī)與地面站之間的通信設(shè)備為數(shù)字電臺(tái)。飛行控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1　飛行控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

飛行控制系統(tǒng)主要完成飛行操縱和任務(wù)管理。要實(shí)現(xiàn)靶機(jī)自動(dòng)飛行，首先需要傳感器測(cè)量靶機(jī)的飛行狀態(tài)，然后由控制器進(jìn)行比較計(jì)算，輸出控制信號(hào)到執(zhí)行機(jī)構(gòu)來(lái)驅(qū)動(dòng)操縱舵面，從而控制靶機(jī)的飛行狀態(tài)。飛行控制的基本原理如圖2所示。

圖2　飛行控制基本原理圖

靶機(jī)的姿態(tài)控制有俯仰、偏航和滾轉(zhuǎn)3個(gè)通道。俯仰和偏航通道的作用主要是調(diào)整靶機(jī)姿態(tài)，抑制飛行中的隨機(jī)擾動(dòng)，使靶機(jī)在指定空域內(nèi)按照預(yù)定的航跡飛行。滾轉(zhuǎn)通道是控制系統(tǒng)整體回路中的一個(gè)快速通道，它的穩(wěn)定是靶機(jī)平穩(wěn)飛行的基礎(chǔ)?；璋袡C(jī)可以看作是對(duì)稱(chēng)的飛行器，俯仰控制通道和偏航控制通道的特性基本相同。以俯仰通道為例，其控制通道如圖3所示。

圖3　俯仰通道結(jié)構(gòu)圖

無(wú)人機(jī)常見(jiàn)的控制方式主要有自主控制、半自主控制、程序/指令控制和遙控控制4種方式［4］?？刂葡到y(tǒng)的任務(wù)重點(diǎn)是保證靶機(jī)能夠按預(yù)定航跡平穩(wěn)飛行，任務(wù)相對(duì)簡(jiǎn)單，因此一般采用程序/指令控制方式，預(yù)先裝載航跡和飛行控制程序，地面站在必要時(shí)發(fā)送控制指令。

2　飛行控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

飛行控制計(jì)算機(jī)采用以數(shù)字信號(hào)處理器DSP與現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陳列FPGA相結(jié)合，再配合電源、時(shí)鐘、存儲(chǔ)器等外圍電路構(gòu)成完整的系統(tǒng)方案。DSP主要負(fù)責(zé)系統(tǒng)監(jiān)控、運(yùn)算并給出控制指令;FPGA主要完成時(shí)序控制、信號(hào)的采集和輸出。DSP與FPGA組合能充分發(fā)揮兩者的優(yōu)點(diǎn)。飛行控制計(jì)算機(jī)的結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4　飛行控制計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)

飛行控制計(jì)算機(jī)采用模塊化設(shè)計(jì)，主要由核心處理單元、信號(hào)采集和指令輸出單元、通信單元3部分組成。電路設(shè)計(jì)將功能相近或聯(lián)系較多的電路整合到一個(gè)模塊，通過(guò)端口將所有模塊連成系統(tǒng)，利于芯片布局和布線，同時(shí)有效提高系統(tǒng)抗干擾能力。飛行控制計(jì)算機(jī)的電路原理如圖5所示。

圖5　電路原理圖結(jié)構(gòu)

靶機(jī)機(jī)身狹長(zhǎng)，飛行控制計(jì)算機(jī)需要安裝在封閉的金屬盒中，其體積小、密度高，并具備足夠的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和抗電磁干擾能力。飛行控制計(jì)算機(jī)的PCB電路板采用多層板結(jié)構(gòu)，共有6層，分別為頂層、地層、信號(hào)層1、信號(hào)層2、電源層和底層。其中頂層放置主要芯片、接口和指示燈，底層放置電容、電阻和功率放大器芯片，信號(hào)層居于地層和電源層之間，能夠減少信號(hào)之間的干擾，提高系統(tǒng)抗電磁干擾能力。

3　飛行控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

DSP程序的功能是監(jiān)控各器件狀態(tài)，保持系統(tǒng)正常運(yùn)行并計(jì)算輸出控制指令。要實(shí)現(xiàn)DSP的上述功能需要完成兩項(xiàng)編程工作:一是編寫(xiě)硬件底層的驅(qū)動(dòng)程序和輸入輸出接口程序，使飛行控制計(jì)算機(jī)能夠運(yùn)行;二是按任務(wù)流程和要求編寫(xiě)系統(tǒng)主程序，實(shí)現(xiàn)飛行控制系統(tǒng)功能。系統(tǒng)主程序的工作流程如圖6所示。

建立靶機(jī)數(shù)學(xué)模型的參數(shù)來(lái)自于試驗(yàn)數(shù)據(jù)，試驗(yàn)?zāi)軌驕?zhǔn)確地反映靶機(jī)的空氣動(dòng)力學(xué)特性和控制特性。在仿真時(shí)，控制律為模擬連續(xù)量，因此經(jīng)仿真得到的飛行控制律需要離散化才能應(yīng)用到數(shù)字控制系統(tǒng)中。靶機(jī)的坐標(biāo)系采用地面坐標(biāo)系、機(jī)體坐標(biāo)系和速度坐標(biāo)系［5］。依據(jù)靶機(jī)的俯仰操縱效率特性，可對(duì)靶機(jī)的縱向航跡進(jìn)行仿真，其原理如圖7所示。

圖6　DSP主程序流程圖

圖7　靶機(jī)縱向航跡仿真原理圖

為改善靶機(jī)的性能，在仿真中加入控制器環(huán)節(jié)，控制方法采用PID方法。經(jīng)過(guò)反復(fù)調(diào)試得出較為合理的控制參數(shù)和控制效果。圖8為引入PID控制后，靶機(jī)的水平速度和垂直速度隨時(shí)間變化的曲線。

圖8　靶機(jī)速度變化曲線

通過(guò)圖8可以看出，仿真結(jié)果基本滿足設(shè)計(jì)要求，靶機(jī)能夠保持穩(wěn)定飛行，速度和高度變化曲線較為平緩。

4　結(jié)論

經(jīng)過(guò)仿真和測(cè)試，本文所設(shè)計(jì)的飛行控制系統(tǒng)能夠滿足靶機(jī)的既定功能，實(shí)現(xiàn)靶機(jī)平穩(wěn)飛行。證明以DSP和FPGA為核心的飛控計(jì)算機(jī)架構(gòu)合理，驅(qū)動(dòng)和程序設(shè)計(jì)有效。

［1］陳峰，陳曦，陳翔宇.空中靶標(biāo)的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)［J］.兵工自動(dòng)化，2006，25(12):13 －15.

［2］瑞欣.幕后英豪中國(guó)航空靶機(jī)的發(fā)展［J］.中國(guó)海軍，2007(8):53－54.

［3］雷金奎.無(wú)人駕駛靶機(jī)飛行控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.測(cè)控技術(shù)，1999(1):37－50.

［4］李曉強(qiáng).無(wú)人機(jī)飛行控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)與研究［D］.西安:西安理工大學(xué)，2008.

［5］范彥銘.飛行綜合控制系統(tǒng)［M］.北京:航空工業(yè)出版社，2007:25－37.

Design and Implementation of the Flight－control System of a Target Drone

WANG Dongming
(Shanghai Aircraft Design and Research Institute，Shanghai，201210，China)

It brings forward fight－control computer scheme based on DSP and FPGA.The fight－control system is a typical control system，which is based on a fight－ control computer as the core unit，cooperating with the assist of other accessories，such as a GPS receiver，a vertical gyroscope and four electric steering engines.A digital radio is used to transmit data between the target drone and the ground station.The paper shows a new target drone with low cost drone fight－control system.

Target Drone;Flight－control;DSP;FPGA

V249.1

B

2095－509X(2013)11－0076－03

10.3969/j.issn.2095－509X.2013.11.019

2013－06－04

王冬明(1986—)，男，河北遵化人，上海飛機(jī)設(shè)計(jì)研究院助理工程師，主要從事民用飛機(jī)飛行控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。