謝 檬，曹雍川，蘇雨澈

（1.西安交通大學(xué) 城市學(xué)院，西安710018；2.國家電網(wǎng)漢中供電公司，漢中723000）

在人類航空史上， 多旋翼無人機從誕生到應(yīng)用，經(jīng)歷了很長的過程[1-3]。 與其它無人機對比，四旋翼無人機具有結(jié)構(gòu)簡練、占地小、質(zhì)量輕、控制靈動便利、可垂直升降、可懸停在空中等優(yōu)點，無論在軍事范圍還是在民用范圍都得到了普遍的應(yīng)用[4-8]。 目前，四旋翼飛行器主要由飛控手目視操控飛行過程，其平均航跡偏差高達5.2 m，平均高度偏差為0.9 m，滾轉(zhuǎn)角和俯仰角的波動幅度小于8°，傳感器的溫度降低了2 ℃。 為了解決飛控手目視檢查造成的人為誤差[9-11]，所設(shè)計的基于LabVIEW 的無人機地面控制系統(tǒng)，可以實現(xiàn)無人機飛行狀態(tài)信息的自動采集和性能評估。 無人機的飛行狀態(tài)信息包括三軸姿態(tài)角、三軸角速度和三軸加速度。 通過LabVIEW 平臺的監(jiān)測系統(tǒng)實時顯示、控制、評估和記錄無人機飛行狀態(tài)信息。

1 總體方案設(shè)計

根據(jù)四旋翼飛行器的工作原理及特點，先對以下檢測信號進行數(shù)據(jù)采集：x，y，z 軸的角速度；x，y，z軸的加速度；仰角，滾動角，航偏角。 然后將這些信號傳輸?shù)絃abVIEW 中， 去設(shè)計仿真飛行器飛行狀態(tài)的監(jiān)測系統(tǒng)。 整個系統(tǒng)包括硬件和軟件兩大部分。 硬件主要是測試對象的傳感器，采集卡，計算機等；軟件采用LabVIEW 圖形化語言編程。 其控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 地面控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 Structure block diagram of the ground control system

2 軟件設(shè)計

監(jiān)測系統(tǒng)的軟件設(shè)計采用圖形化編程軟件平臺LabVIEW[12-15]，主要實現(xiàn)以下功能：①飛行姿態(tài)各項參數(shù)的實時測量及顯示；②超出預(yù)設(shè)飛行范圍時進行報警，地面控制臺重新發(fā)送控制命令；③數(shù)據(jù)回放 便于查閱飛行時在不同時期的歷史記錄，為故障檢測提供平臺；④數(shù)據(jù)采集 將監(jiān)測信號讀取到上位機，進行顯示及數(shù)據(jù)處理。

2.1 軟件功能

系統(tǒng)軟件采集相關(guān)參數(shù)，通過設(shè)置數(shù)據(jù)采集間隔和上限報警值來判斷飛行航線是否在規(guī)定的范圍。若在規(guī)定范圍內(nèi)則繼續(xù)對數(shù)據(jù)進行采集并記錄結(jié)果；若不是，則顯示報警并重新發(fā)送控制命令，飛行重新開始。 地面控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集流程如圖2 所示。

由圖可見，首先設(shè)定數(shù)據(jù)采集間隔和上限報警值，然后采集各項飛行數(shù)據(jù)并實時顯示，判斷高度值、速度值是否超出設(shè)定范圍。 如果超出設(shè)定的范圍就會顯示報警提示，并重新發(fā)送控制命令，飛行重新開始；如果沒有超出設(shè)定的范圍則繼續(xù)進行數(shù)據(jù)采集并實時顯示等。

2.2 控制系統(tǒng)前面板設(shè)計

控制系統(tǒng)前面板包括采集設(shè)定界面和數(shù)據(jù)查詢2 個子界面，如圖3 所示。 采集設(shè)定界面包括實時顯示表盤、實時顯示曲線、上限值設(shè)定及報警系統(tǒng)、截止頻率和記錄間隔設(shè)置、開始記錄及停止按鈕。

圖3 控制系統(tǒng)前面板Fig.3 Front panel of control system

圖中，實時高度是對無人機在起飛、航行、降落期間高度變化的數(shù)據(jù)，顯示單位m；實時飛行速度為在某一時間點上無人機的具體速度， 顯示單km/h；俯仰角為無人機飛行的方向與水平面的夾角，顯示單位（°）；滾轉(zhuǎn)角為飛機繞機體坐標系縱軸的旋轉(zhuǎn)運動，該系統(tǒng)可測量無人機“左滾”與“右滾”角度，顯示單位（°）； 截止頻率為當保持輸入信號的幅度不變，改變頻率使輸出信號降至最大值的0.707 倍，單位Hz； 采集到的數(shù)據(jù)將按照所規(guī)定的時間間隔記錄，單位s。

3 系統(tǒng)測試

3.1 無人機起飛姿態(tài)監(jiān)測模式

點擊“開始”按鈕，開始采集監(jiān)測數(shù)據(jù)并顯示至虛擬面板；點擊“停止”按鈕，數(shù)據(jù)采集暫停并將所采集的數(shù)據(jù)以excel 表格形式存儲至存儲電路。

無人機的起飛姿態(tài)監(jiān)測模式界面如圖4 所示。統(tǒng)一規(guī)定將頻率設(shè)為0.125 Hz， 試驗數(shù)據(jù)記錄間隔設(shè)置為1 s。

圖4 起飛姿態(tài)監(jiān)測模式Fig.4 Taking off attitude monitoring mode

由圖可見，無人機正處于起飛狀態(tài)，此時的監(jiān)測數(shù)據(jù)見表1。 由于流速越大，壓強越小，在飛機起飛時， 飛機機翼下方的流速小于機翼上方的流速。因此，無人機必須加速起飛，此時無人機的俯仰角和滾轉(zhuǎn)角緩慢上升。

表1 無人機姿態(tài)監(jiān)測模式下的實時數(shù)據(jù)Tab.1 Real-time data in UAV attitude monitoring mode

3.2 無人機平穩(wěn)飛行姿態(tài)監(jiān)測模式

無人機的平穩(wěn)飛行姿態(tài)監(jiān)測模式如圖5 所示，實時數(shù)據(jù)見表1。在平穩(wěn)飛行狀態(tài)時，無人機的飛行高度和飛行速度均基本保持不變，前進靠的是發(fā)動機的動力帶動螺旋槳旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的向前牽引力或是噴氣產(chǎn)生的向前推力，其飛行姿態(tài)也基本不發(fā)生變化。

圖5 平穩(wěn)飛行姿態(tài)監(jiān)測模式Fig.5 Smooth flight attitude monitoring mode

3.3 無人機降落姿態(tài)監(jiān)測模式

無人機的降落姿態(tài)監(jiān)測模式如圖6 所示，實時數(shù)據(jù)見表1。此時，無人機的速度、高度，以及滾轉(zhuǎn)角和俯仰角均處于下降狀態(tài)，降落是減小發(fā)動機的推力，使飛機速度減小，從而減小空氣流經(jīng)機翼的速度，從而減小升力，使飛機下降。

圖6 降落姿態(tài)監(jiān)測模式Fig.6 Landing attitude monitoring mode

3.4 數(shù)據(jù)存儲及回放模式

數(shù)據(jù)存儲及回放模式如圖7 所示，主要是對系統(tǒng)采集監(jiān)測得到的實時數(shù)據(jù)進行存儲和查看，并進行統(tǒng)計分析。 在程序主界面上，點擊左上角的數(shù)據(jù)查詢按鈕，再對數(shù)據(jù)查詢設(shè)置查詢起始時間以及查詢結(jié)束時間進行區(qū)域規(guī)定， 之后點擊確定按鈕，此時就可以對之前的測試數(shù)據(jù)進行回放。

圖7 數(shù)據(jù)存儲及回放模式Fig.7 Data storage and playback mode

4 結(jié)語

所設(shè)計的基于LabVIEW 的無人機飛行狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)采用MPU6050 九軸傳感器采集角速度、加速度、仰角、滾動角和航偏角，并將信號傳入虛擬儀器中，利用LabVIEW 軟件搭建虛擬監(jiān)測系統(tǒng)。 在不同的監(jiān)測模式下，采集監(jiān)測信號的數(shù)據(jù)，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的顯示、處理、報警、數(shù)據(jù)存儲及回放等功能。 通過虛擬平臺，對無人機飛行狀況進行監(jiān)測，測試結(jié)果證明，計算機結(jié)合虛擬平臺構(gòu)建的監(jiān)測系統(tǒng)可以實時監(jiān)測無人機飛行狀態(tài)的各項指標，不僅可以進行故障分析，而且解決了飛控手目視檢查造成的人為誤差，提高了無人機控制的性能指標。