王冬明

(上海飛機設計研究院，上海　201210)

滑翔靶機飛行控制系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)

王冬明

(上海飛機設計研究院，上海201210)

以DSP和FPGA相結合設計飛行控制計算機。以飛行控制計算機為核心，配合GPS接收機、垂直陀螺儀和舵機等器件，并以數(shù)字電臺作為靶機與地面站之間的通信設備，構成靶機的新型低成本飛行控制系統(tǒng)。

靶機;飛行控制;DSP;FPGA

靶機是主要的航空靶標，是一種有翼面、可依靠自動駕駛系統(tǒng)和無線電設備控制機動飛行的無人機［1］。無人靶機是空軍的常用訓練設備，對提高空軍和防空部隊的作戰(zhàn)能力有較大的幫助［2－3］。完整的靶機控制系統(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)總體設計

本設計中被控對象為無動力滑翔靶機，尾翼為4片梯形翼片，呈X型均勻分布，機翼有收起和展開兩種構型。尾翼為全動作尾翼，由4個舵機分別驅動調(diào)整偏轉角，調(diào)整靶機姿態(tài)。

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

a．保存預設的參數(shù)。

b．存儲飛行數(shù)據(jù)，并實時發(fā)送到地面站。

c．對靶機進行遙控遙測。

d．控制靶機達到目標飛行速度，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。

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

圖1　飛行控制系統(tǒng)結構圖

飛行控制系統(tǒng)主要完成飛行操縱和任務管理。要實現(xiàn)靶機自動飛行，首先需要傳感器測量靶機的飛行狀態(tài)，然后由控制器進行比較計算，輸出控制信號到執(zhí)行機構來驅動操縱舵面，從而控制靶機的飛行狀態(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

靶機的姿態(tài)控制有俯仰、偏航和滾轉3個通道。俯仰和偏航通道的作用主要是調(diào)整靶機姿態(tài)，抑制飛行中的隨機擾動，使靶機在指定空域內(nèi)按照預定的航跡飛行。滾轉通道是控制系統(tǒng)整體回路中的一個快速通道，它的穩(wěn)定是靶機平穩(wěn)飛行的基礎?；璋袡C可以看作是對稱的飛行器，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　俯仰通道結構圖

無人機常見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］。控制系統(tǒng)的任務重點是保證靶機能夠按預定航跡平穩(wěn)飛行，任務相對簡單，因此一般采用程序/指令控制方式，預先裝載航跡和飛行控制程序，地面站在必要時發(fā)送控制指令。

2　飛行控制系統(tǒng)硬件設計

飛行控制計算機采用以數(shù)字信號處理器DSP與現(xiàn)場可編程門陳列FPGA相結合，再配合電源、時鐘、存儲器等外圍電路構成完整的系統(tǒng)方案。DSP主要負責系統(tǒng)監(jiān)控、運算并給出控制指令;FPGA主要完成時序控制、信號的采集和輸出。DSP與FPGA組合能充分發(fā)揮兩者的優(yōu)點。飛行控制計算機的結構如圖4所示。

圖4　飛行控制計算機結構

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

圖5　電路原理圖結構

靶機機身狹長，飛行控制計算機需要安裝在封閉的金屬盒中，其體積小、密度高，并具備足夠的結構強度和抗電磁干擾能力。飛行控制計算機的PCB電路板采用多層板結構，共有6層，分別為頂層、地層、信號層1、信號層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，信號層居于地層和電源層之間，能夠減少信號之間的干擾，提高系統(tǒng)抗電磁干擾能力。

3　飛行控制系統(tǒng)軟件設計

DSP程序的功能是監(jiān)控各器件狀態(tài)，保持系統(tǒng)正常運行并計算輸出控制指令。要實現(xiàn)DSP的上述功能需要完成兩項編程工作:一是編寫硬件底層的驅動程序和輸入輸出接口程序，使飛行控制計算機能夠運行;二是按任務流程和要求編寫系統(tǒng)主程序，實現(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。

建立靶機數(shù)學模型的參數(shù)來自于試驗數(shù)據(jù)，試驗能夠準確地反映靶機的空氣動力學特性和控制特性。在仿真時，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用到數(shù)字控制系統(tǒng)中。靶機的坐標系采用地面坐標系、機體坐標系和速度坐標系［5］。依據(jù)靶機的俯仰操縱效率特性，可對靶機的縱向航跡進行仿真，其原理如圖7所示。

圖6　DSP主程序流程圖

圖7　靶機縱向航跡仿真原理圖

為改善靶機的性能，在仿真中加入控制器環(huán)節(jié)，控制方法采用PID方法。經(jīng)過反復調(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，靶機的水平速度和垂直速度隨時間變化的曲線。

圖8　靶機速度變化曲線

通過圖8可以看出，仿真結果基本滿足設計要求，靶機能夠保持穩(wěn)定飛行，速度和高度變化曲線較為平緩。

4　結論

經(jīng)過仿真和測試，本文所設計的飛行控制系統(tǒng)能夠滿足靶機的既定功能，實現(xiàn)靶機平穩(wěn)飛行。證明以DSP和FPGA為核心的飛控計算機架構合理，驅動和程序設計有效。

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

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

［3］雷金奎.無人駕駛靶機飛行控制系統(tǒng)設計［J］.測控技術，1999(1):37－50.

［4］李曉強.無人機飛行控制系統(tǒng)的硬件設計與研究［D］.西安:西安理工大學，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，上海飛機設計研究院助理工程師，主要從事民用飛機飛行控制系統(tǒng)設計。