文/肖光華

當(dāng)前旋翼無(wú)人機(jī)發(fā)展如火如荼，在軍事領(lǐng)域和民用領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用需求。目前國(guó)內(nèi)外較成熟的旋翼無(wú)人機(jī)都具備自動(dòng)和手動(dòng)飛行兩種控制方式。在旋翼無(wú)人機(jī)交付用戶前的前期飛行調(diào)參過(guò)程中，因旋翼無(wú)人機(jī)平臺(tái)狀態(tài)不穩(wěn)定和不確定性，主要采用手動(dòng)飛行方式對(duì)旋翼無(wú)人機(jī)進(jìn)行狀態(tài)調(diào)整和驗(yàn)證。在交付用戶后，即使旋翼無(wú)人機(jī)狀態(tài)完整并具備自動(dòng)飛行能力時(shí)，在一些特殊的情形和場(chǎng)合下，仍需要采用手動(dòng)飛行實(shí)現(xiàn)旋翼無(wú)人機(jī)的起降和飛行。目前國(guó)內(nèi)旋翼無(wú)人機(jī)的手動(dòng)飛行控制器主要采用航?？刂破?，這類控制器可靠性較差并且無(wú)遙測(cè)信息和狀態(tài)顯示功能，直接影響飛行操作手的操作交互體驗(yàn)和無(wú)人機(jī)飛行安全。所以通過(guò)對(duì)手動(dòng)飛行控制器的需求和約束條件進(jìn)行分析，設(shè)計(jì)一款高可靠性、實(shí)用性好的旋翼無(wú)人機(jī)手動(dòng)飛行控制器有重要的意義。

1 手動(dòng)飛行控制器介紹

手動(dòng)飛行控制器是飛行操作手對(duì)旋翼無(wú)人機(jī)手動(dòng)飛行控制的設(shè)備。通過(guò)手動(dòng)飛行控制器，主要實(shí)現(xiàn)對(duì)旋翼無(wú)人機(jī)進(jìn)人工起降控制、人工近場(chǎng)機(jī)動(dòng)飛行以及半自主人工遙控飛行。手動(dòng)飛行控制器在旋翼無(wú)人機(jī)系統(tǒng)中的工作原理如圖1所示，手動(dòng)飛行控制器一般與旋翼無(wú)人機(jī)控制站連接，手動(dòng)飛行控制器的控制指令在旋翼無(wú)人機(jī)地面站內(nèi)完成組幀后，通過(guò)地面和機(jī)載數(shù)據(jù)鏈發(fā)送給旋翼無(wú)人機(jī)，實(shí)現(xiàn)對(duì)旋翼無(wú)人機(jī)的手動(dòng)控制。

2 總體設(shè)計(jì)需求與約束

2.1 需求分析

手動(dòng)飛行控制器作為飛行操作手手動(dòng)控制旋翼無(wú)人機(jī)的人機(jī)交互設(shè)備，不但需實(shí)現(xiàn)必要的功能，還需具備良好的人機(jī)功效。其基本需求如下：

（1）提供產(chǎn)生多路控制信號(hào)的良好人機(jī)接口，用于人工控制旋翼無(wú)人機(jī)的飛行；

（2）可顯示飛行操作手需關(guān)注的飛行參數(shù)和狀態(tài)，并在手動(dòng)飛行過(guò)程中也便于查看；

（3）飛行操作手一般采用站立姿勢(shì)操縱飛行，各功能模塊布置應(yīng)合理，并需提供可靠、舒適的設(shè)備固定方式，以保證飛行操縱的準(zhǔn)確度，降低飛行操作手的工作負(fù)荷和心理壓力。

2.2 約束分析

根據(jù)手動(dòng)飛行控制器使用方式和應(yīng)用場(chǎng)合，應(yīng)包括以下總體設(shè)計(jì)約束：

（1）高可靠性：在手動(dòng)飛行過(guò)程中，手動(dòng)飛行控制器若出現(xiàn)故障會(huì)直接影響飛行安全，所以在設(shè)計(jì)過(guò)程中，可靠性設(shè)計(jì)始終應(yīng)放在第一位，應(yīng)在軟硬件設(shè)計(jì)時(shí)采用提高可靠性的措施；

（2）結(jié)構(gòu)輕便：考慮到飛行操作手站立背負(fù)使用手動(dòng)飛行控制器，為降低飛行操作手的工作疲勞程度和操縱可達(dá)性，手動(dòng)飛行控制器的重量應(yīng)盡量輕，整體尺寸應(yīng)控制在合理范圍；

（3）使用適應(yīng)性：考慮飛行操作手個(gè)體體型差異，手動(dòng)飛行控制器尺寸和固定位置應(yīng)有一定的調(diào)節(jié)范圍，以適應(yīng)不同體型的飛行操作手使用。

（4）環(huán)境適應(yīng)性：旋翼無(wú)人機(jī)可能經(jīng)常在較為惡劣的自然環(huán)境和復(fù)雜電磁環(huán)境下執(zhí)行任務(wù)，為保證惡劣環(huán)境下，手動(dòng)飛行控制器能保持應(yīng)有的功能和性能穩(wěn)定工作，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)充分考慮設(shè)備環(huán)境適應(yīng)性。

2.3 總體設(shè)計(jì)思路

根據(jù)總體需求開展總體設(shè)計(jì)，旋翼無(wú)人機(jī)手動(dòng)飛行控制器總體組成框圖如圖2所示。設(shè)備組成主要包括控制模塊、顯示模塊、AR 眼鏡模塊和背帶套裝。

控制模塊采用單手柄模式，上布置多種傳感器，主要產(chǎn)生控制旋翼無(wú)人機(jī)的各通道的控制指令，并發(fā)送給顯示模塊。顯示模塊接收控制模塊的控制指令數(shù)據(jù)，并可產(chǎn)生其他控制指令，然后把這些指令和其他數(shù)據(jù)組包一起發(fā)送給旋翼無(wú)人機(jī)地面站。顯示模塊可以顯示操作手需要關(guān)注的一些飛行遙測(cè)和狀態(tài)信息。飛行操作手通過(guò)佩戴AR 眼鏡模后，可把顯示模塊顯示屏上的信息投放到目視的前方，保證在在手動(dòng)飛行過(guò)程中飛行操作手也便于查看飛行遙測(cè)信息和狀態(tài)信息。

圖1：手動(dòng)飛行控制器工作原理框圖

3 硬件設(shè)計(jì)需求與約束

3.1 需求分析

AR 眼鏡可通過(guò)采購(gòu)成熟的模塊集成，硬件設(shè)計(jì)主要包括控制模塊和顯示模塊的硬件設(shè)計(jì)?？刂颇K和顯示模塊的硬件需求如圖3所示。

3.1.1 控制模塊硬件需求

（1）可采集多路模擬量和開關(guān)離散量：控制模塊產(chǎn)生控制旋翼無(wú)人機(jī)縱向、橫向、垂向和航向等多個(gè)通道的控制量，需通過(guò)采集電路采集多個(gè)位移傳感器模擬量和開關(guān)離散量實(shí)現(xiàn)；

（2）采集模擬量需進(jìn)行濾波處理：為提高模擬量采集的準(zhǔn)確性，在模擬量A/D 采集前端通過(guò)濾波電路進(jìn)行濾波處理；

（3）采集離散量需進(jìn)行消抖和除雜波處理：需設(shè)計(jì)相應(yīng)的開關(guān)電路準(zhǔn)確地區(qū)分抖動(dòng)與多次快速按下，并消除雜波；

（4）對(duì)采集信號(hào)進(jìn)行編碼：微處理器電路需具備A/D 模塊進(jìn)行編碼，并具備一定的數(shù)據(jù)處理能力；

（5）實(shí)現(xiàn)串口通信功能：控制模塊與顯示模塊之間采用串口通信，需通過(guò)RS422 電路模塊實(shí)現(xiàn)，為保證通信的質(zhì)量，還需設(shè)計(jì)ESD 防護(hù)電路。

3.1.2 顯示模塊硬件需求

（1）高性能的數(shù)據(jù)處理和存儲(chǔ)能力：遙控遙測(cè)數(shù)據(jù)的收發(fā)高低、低時(shí)延特點(diǎn)要求應(yīng)采用較高性能的處理器和較大運(yùn)行內(nèi)存，存儲(chǔ)內(nèi)存應(yīng)滿足數(shù)據(jù)記錄需求；

（2）顯示和觸摸輸入功能：需選用一定尺寸的顯示屏用于遙測(cè)參數(shù)和狀態(tài)顯示，考慮指令輸入、頁(yè)面切換等應(yīng)采用觸摸屏設(shè)計(jì)；

（3）實(shí)現(xiàn)電源轉(zhuǎn)換和管理功能：顯示模塊給控制模塊和AR 眼鏡模塊以及內(nèi)部各單元分配供電，并對(duì)備用電池的充放電管理，需通過(guò)電源轉(zhuǎn)換和管理電路實(shí)現(xiàn)；

（4）周邊按鍵實(shí)現(xiàn)硬按鍵輸入功能：為提供產(chǎn)品可靠性，需設(shè)計(jì)周邊按鍵實(shí)現(xiàn)可靠的指令輸入功能，同時(shí)需設(shè)計(jì)按鍵采集電路；

（5）備份供電功能：備份供電為了保證設(shè)備供電的可靠性，需采用后備電池設(shè)計(jì)，可選用高能量密度的鋰電池實(shí)現(xiàn)備份供電。

3.2 約束分析

為滿足設(shè)備使用要求，硬件還應(yīng)滿足以下方面的設(shè)計(jì)約束：

3.2.1 位移控制桿行程適當(dāng)

飛行操作手一般通過(guò)手臂或手指操縱位移控制桿，所以位移控制桿的行程不宜過(guò)大或太小，若行程過(guò)大，操縱可達(dá)性差，若行程太小，飛行操作手需要精細(xì)操作，對(duì)操作員產(chǎn)生巨大的負(fù)荷，同時(shí)帶來(lái)的飛行風(fēng)險(xiǎn)。

3.2.2 低功耗

為增加備用的鋰電池的后備供電時(shí)間，電路應(yīng)采用低功耗設(shè)計(jì)。

3.2.3 滿足戶外使用飛行操作手一般在地面站外使用手動(dòng)飛行控制器，室外太陽(yáng)直射環(huán)境會(huì)造成看不清顯示屏的顯示信息，所以應(yīng)選擇高亮度和對(duì)比度的顯示屏，可考慮增加顯示屏背光功能，并增加亮度調(diào)節(jié)功能。

4 軟件設(shè)計(jì)需求與約束

4.1 需求分析

根據(jù)手動(dòng)飛行控制器的各模塊的功能，設(shè)備應(yīng)包括以下軟件功能模塊：

（1）數(shù)據(jù)采集和處理功能模塊：運(yùn)行于控制模塊中，實(shí)現(xiàn)模擬量和開關(guān)量采集，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后通過(guò)串口輸出；

（2）遙控協(xié)議處理功能模塊：運(yùn)行于顯示模塊中，實(shí)現(xiàn)上行遙控?cái)?shù)據(jù)的處理、組幀和發(fā)送；

（3）遙測(cè)參數(shù)和狀態(tài)顯示功能模塊：運(yùn)行于顯示模塊中，實(shí)現(xiàn)飛行操作手需關(guān)注的遙測(cè)參數(shù)和設(shè)備狀態(tài)顯示，可采用文字或圖形方式顯示；

（4）數(shù)據(jù)記錄功能模塊：運(yùn)行于顯示模塊中，實(shí)現(xiàn)飛行遙控?cái)?shù)據(jù)的記錄功能，為后期數(shù)據(jù)分析提供原始數(shù)據(jù)。

4.2 約束分析

為滿足設(shè)備的性能和使用要求，軟件還應(yīng)滿足以下方面的設(shè)計(jì)約束：

圖2：手動(dòng)飛行控制器總體組成框圖

圖3：手動(dòng)飛行控制器硬件需求分析

4.2.1 時(shí)延小

為滿足上行遙控?cái)?shù)據(jù)發(fā)送的低時(shí)延要求，軟件對(duì)上行數(shù)據(jù)的處理和傳遞時(shí)延要小。

4.2.2 UI 界面簡(jiǎn)潔

旋翼無(wú)人機(jī)的遙測(cè)參數(shù)和系統(tǒng)狀態(tài)信息眾多，飛行操作手無(wú)需獲取所有信息，所有只需顯示飛行操作手需要關(guān)注的信息，顯示界面的背景和字體配色以及界面布局等要適應(yīng)在VR 眼鏡上顯示；UI 的輸入界面的設(shè)計(jì)要充分考慮飛行操作手的操作方便和可靠。

4.2.3 核心功能穩(wěn)定

手動(dòng)飛行控制器軟件的核心功能是產(chǎn)生并發(fā)送飛行遙控?cái)?shù)據(jù)，該功能的優(yōu)先級(jí)應(yīng)最高，在軟件設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)充分考慮該功能的可靠性和穩(wěn)定性。為保證遙控協(xié)議處理功能模塊的穩(wěn)定性和健壯性，以及降低軟件功能模塊之間的耦合性，遙控協(xié)議處理功能、遙測(cè)參數(shù)和狀態(tài)顯示功能和數(shù)據(jù)記錄功能可考慮分別采用三個(gè)獨(dú)立軟件配置項(xiàng)實(shí)現(xiàn)。

4.2.4 兼顧調(diào)參功能

在旋翼無(wú)人機(jī)前期調(diào)參階段，手動(dòng)飛行控制器需配合完成地面測(cè)試試驗(yàn)，所以軟件應(yīng)具備滿足特定調(diào)參測(cè)試項(xiàng)等功能，以提高調(diào)參測(cè)試的效率和減輕飛行操作手的負(fù)擔(dān)。

4 結(jié)束語(yǔ)

手動(dòng)飛行控制器作為旋翼無(wú)人機(jī)地面系統(tǒng)中重要的控制設(shè)備，產(chǎn)品的可靠性和人機(jī)效能直接影響旋翼無(wú)人機(jī)的飛行安全。本文以提高產(chǎn)品的可靠性和人機(jī)效能為目標(biāo)，分析了旋翼無(wú)人機(jī)手動(dòng)飛行控制器總體和軟硬件設(shè)計(jì)需求和約束，為手動(dòng)飛行控制器的實(shí)際工程設(shè)計(jì)提供重要輸入。