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(南京航空航天大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院，江蘇 南京 210016)

0 引言

無(wú)人機(jī)是一種不搭載人員，通過(guò)無(wú)線遙控或者程序可以實(shí)現(xiàn)自主飛行、遠(yuǎn)程控制的飛行器。隨著科技的不斷進(jìn)步和社會(huì)需求的不斷提高，無(wú)人機(jī)的性能也得到不斷提升，進(jìn)而廣泛應(yīng)用于軍事和民事領(lǐng)域，如軍用無(wú)人機(jī)用于信息對(duì)抗、通信中繼等，民用無(wú)人機(jī)用于航拍攝影、環(huán)境監(jiān)測(cè)等[1]。靶機(jī)屬于軍用無(wú)人機(jī)的一種，在軍事演習(xí)或軍用武器試射時(shí)，利用預(yù)設(shè)好的飛行路徑或者處于遙控模式下，模擬敵方的飛行器或?qū)?，為地空、空空?dǎo)彈或火炮提供動(dòng)態(tài)目標(biāo)與射擊的機(jī)會(huì)[2]。高速無(wú)人靶機(jī)模仿高速移動(dòng)目標(biāo)，越來(lái)越滿足當(dāng)前軍事演習(xí)或軍用武器試射的需要。

在設(shè)計(jì)和使用高速靶機(jī)的過(guò)程中，對(duì)靶機(jī)飛行控制系統(tǒng)進(jìn)行半物理仿真來(lái)實(shí)時(shí)模擬飛行過(guò)程，是一個(gè)不可或缺的試驗(yàn)步驟[3]。本次半物理仿真試驗(yàn)是利用仿真計(jì)算機(jī)接入飛控系統(tǒng)中的部分實(shí)物部件，實(shí)時(shí)模擬靶機(jī)從起飛到傘降整個(gè)飛行過(guò)程，不僅可以有效地驗(yàn)證系統(tǒng)的控制律，還能檢測(cè)并排除在實(shí)際飛行中可能出現(xiàn)的故障。因此，靶機(jī)的飛行仿真試驗(yàn)在設(shè)計(jì)和使用高速靶機(jī)的過(guò)程中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。

1 飛行控制系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及各模塊功能

無(wú)人靶機(jī)飛控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了靶機(jī)從準(zhǔn)備起飛到傘降著陸整個(gè)過(guò)程的飛行控制。在機(jī)載通信設(shè)備與地面通信設(shè)備成功匹配連接后，機(jī)載飛控系統(tǒng)把飛行狀態(tài)參數(shù)，以及機(jī)載電源系統(tǒng)、發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)等工作狀態(tài)參數(shù)，通過(guò)數(shù)據(jù)電臺(tái)下傳至地面測(cè)控站進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示和監(jiān)控，方便靶機(jī)操縱人員實(shí)時(shí)掌控機(jī)載設(shè)備和航電設(shè)備的各種信息和飛行狀態(tài)，從而下達(dá)正確的靶機(jī)控制指令，保證靶機(jī)能夠安全穩(wěn)定飛行和順利完成靶事任務(wù)[4]。

如圖1所示，無(wú)人高速靶機(jī)的飛控系統(tǒng)主要由地面測(cè)控部分和機(jī)載飛控部分構(gòu)成。機(jī)載飛控部分通過(guò)采集飛行狀態(tài)參數(shù)如俯仰角、滾轉(zhuǎn)角和航向角等來(lái)控制飛行姿態(tài)，從而保持靶機(jī)可以高速穩(wěn)定飛行；地面測(cè)控部分主要完成對(duì)下傳數(shù)據(jù)的解析處理，發(fā)送控制指令以及航跡規(guī)劃等。其中，機(jī)載飛控部分是整個(gè)飛控系統(tǒng)的核心，下文中所提及的飛控系統(tǒng)均指的是機(jī)載飛行控制系統(tǒng)。

靶機(jī)飛控系統(tǒng)主要由控制器、機(jī)載傳感器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)(舵機(jī))3部分組成。控制器包括中央處理單元、信號(hào)輸出單元等，用以采集、處理信息；機(jī)載傳感器主要有GPS、高度傳感器和陀螺儀等。按照上述分析，從而得到靶機(jī)飛行控制系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2 靶機(jī)飛行控制系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

如圖2所示，以TMS320F28335控制器為核心，搭載機(jī)載傳感器，包括雙GPS、角速率陀螺儀、垂直陀螺儀、磁航向陀螺儀、速度傳感器和氣壓高度表等，與執(zhí)行機(jī)構(gòu)(舵機(jī))共同構(gòu)成靶機(jī)的飛行控制系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)無(wú)人靶機(jī)飛行姿態(tài)、航向和高度的穩(wěn)定。

控制器是機(jī)載飛控系統(tǒng)的核心，因此必須具備強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力，同時(shí)也要有豐富的外圍接口，本次設(shè)計(jì)的控制器采用TMS320F28335處理芯片。

TMS320F28335是TI公司推出的32位浮點(diǎn)DSP，具有150 MHz的高速處理能力，6個(gè)DMA通道，18路PWM輸出，其中有12路16通道ADC，6路為T(mén)I特有的HRPWM，具有低成本、低功耗、外圍接口豐富、高集成度和高性能等特點(diǎn)。因此，它具有強(qiáng)大的數(shù)字信號(hào)處理能力，廣泛應(yīng)用于處理速度和精度要求較高的領(lǐng)域[5]。

無(wú)人靶機(jī)的飛行控制系統(tǒng)的硬件采用模塊化的設(shè)計(jì)方案，根據(jù)各模塊在飛控系統(tǒng)中發(fā)揮的作用可以將飛控系統(tǒng)劃分為以下幾部分：主控制器、電源供電模塊、電源變換模塊、信號(hào)調(diào)理模塊、開(kāi)關(guān)量輸入輸出模塊、數(shù)據(jù)通信模塊、發(fā)動(dòng)機(jī)控制模塊和靶機(jī)組合導(dǎo)航模塊等。其中，主控制器是飛控系統(tǒng)中最為核心的部分，控制器的好壞直接影響到靶機(jī)飛行性能的好壞[6]。

機(jī)載傳感器模塊可以實(shí)時(shí)采集當(dāng)前靶機(jī)飛行狀態(tài)信息，其性能好壞會(huì)影響到地面靶機(jī)操縱人員的指令決斷。機(jī)載電臺(tái)數(shù)據(jù)傳輸距離也將影響實(shí)驗(yàn)效果。本次高速無(wú)人靶機(jī)設(shè)計(jì)所選擇的機(jī)載傳感器和數(shù)字電臺(tái)如下：陀螺儀采用L3G4200D三軸數(shù)字陀螺儀，用來(lái)測(cè)量并輸出無(wú)人靶機(jī)的三維角速度；氣壓高度表選擇BMP085數(shù)字式氣壓傳感器，能應(yīng)用在無(wú)人靶機(jī)飛控系統(tǒng)中，測(cè)得實(shí)時(shí)溫度、氣壓；GPS可以實(shí)時(shí)輸出靶機(jī)當(dāng)前經(jīng)度、緯度、海拔高度、飛行速度、高度變化率(升降率)和可接收到的衛(wèi)星數(shù)等信息；采用GE MDS系列數(shù)字電臺(tái)，可以實(shí)現(xiàn)無(wú)人靶機(jī)與地面測(cè)控臺(tái)的雙向長(zhǎng)距離數(shù)據(jù)傳遞。

地面測(cè)控系統(tǒng)中綜顯計(jì)算機(jī)主要用來(lái)顯示靶機(jī)下傳狀態(tài)信息和數(shù)據(jù)，而核心部分測(cè)控計(jì)算機(jī)為重要的人機(jī)交互界面[7]。有時(shí)，地面靶機(jī)操縱人員為提高效率，將綜顯計(jì)算機(jī)和測(cè)控計(jì)算機(jī)合二為一，在同一交互界面既可以實(shí)時(shí)地監(jiān)控靶機(jī)飛行的狀態(tài)，也可以通過(guò)操縱桿、油門(mén)桿、指令按鈕對(duì)飛機(jī)發(fā)送控制指令進(jìn)行人在回路控制。

2 飛行控制系統(tǒng)的控制規(guī)律及軟件設(shè)計(jì)

2.1 飛行控制系統(tǒng)的控制規(guī)律

此次高速無(wú)人靶機(jī)飛行控制系統(tǒng)主要運(yùn)用經(jīng)典控制理論中的PID控制算法。飛控計(jì)算機(jī)接收到機(jī)載傳感器下傳的測(cè)量數(shù)據(jù)后，實(shí)時(shí)地進(jìn)行信號(hào)處理、姿態(tài)解算并輸出相應(yīng)的控制信號(hào)。控制輸出的信號(hào)，實(shí)時(shí)在線反饋到輸入端，與預(yù)期的值相比較，不斷糾正偏差，從而可以有效地在線修正無(wú)人靶機(jī)的飛行姿態(tài)，使其可以按照預(yù)定的飛行航線實(shí)現(xiàn)自動(dòng)飛行[8]。

如圖3所示，Ψ為航偏角，d為航偏距。靶機(jī)在理想飛行狀態(tài)下，由航點(diǎn)K飛至航點(diǎn)K+1過(guò)程中，航偏角Ψ與航偏距d均為0，而在實(shí)際飛行中，由于風(fēng)擾或者靶機(jī)自身因素，會(huì)出現(xiàn)偏航現(xiàn)象。為使得航偏角Ψ趨近于0且航偏距d趨向航偏距dα，這里需引入控制律進(jìn)行飛行姿態(tài)的修正。dα為該型靶機(jī)飛行控制程序中的既定航偏距，是靶機(jī)貼近航線飛行時(shí)所容許的最小航偏距(即偏航距在dα內(nèi)默認(rèn)為壓航線飛行)。

圖3 靶機(jī)飛行航線圖

如圖4所示，根據(jù)機(jī)載傳感器下傳的實(shí)際飛行航跡與無(wú)人靶機(jī)的預(yù)定航跡進(jìn)行對(duì)比，能夠求出靶機(jī)在實(shí)際飛行中的航偏距、航偏角等信號(hào)，將其作為輸入信號(hào)，依據(jù)飛行控制系統(tǒng)中的PID控制規(guī)律得到相應(yīng)的輸出信號(hào)。本次設(shè)計(jì)中，通過(guò)限幅環(huán)節(jié)將靶機(jī)滾轉(zhuǎn)角輸出限定為-16～16°之間，用以修正靶機(jī)飛行姿態(tài)。

圖4 PID控制律

2.2 飛行控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

本次設(shè)計(jì)飛行控制系統(tǒng)軟件使用DSP配套Code Composer Studio(CCS)開(kāi)發(fā)平臺(tái)進(jìn)行編寫(xiě)，采用中斷通信方式。同時(shí)在理解TMS320F28335硬件結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行靶機(jī)飛控系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)。

DSP 芯片軟件程序采用了模塊化設(shè)計(jì)[9]，模塊化的目的是降低飛控程序的復(fù)雜度，使程序在設(shè)計(jì)、調(diào)試和維護(hù)過(guò)程中操作簡(jiǎn)單化。其中，主要有系統(tǒng)初始化模塊、管理決策模塊、輸入輸出子系統(tǒng)模塊、數(shù)據(jù)通信模塊和故障監(jiān)測(cè)與診斷模塊。TMS320F28335芯片采用定時(shí)中斷模式，在中斷服務(wù)程序中執(zhí)行功能模塊化的任務(wù)。

3 配套地面測(cè)控程序的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用

高速無(wú)人靶機(jī)地面測(cè)控是整個(gè)無(wú)人靶機(jī)系統(tǒng)中不可或缺的組成部分，是地面靶機(jī)操縱人員與靶機(jī)交互的渠道。一個(gè)完整的地面測(cè)控程序擁有包括航跡規(guī)劃、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、通信連接、指令操控等集通信、控制和數(shù)據(jù)處理于一身的綜合能力，是整個(gè)高速無(wú)人靶機(jī)系統(tǒng)的地面指揮控制中心[10]。

本次設(shè)計(jì)的高速無(wú)人靶機(jī)地面測(cè)控臺(tái)主要由1臺(tái)集測(cè)控與綜顯于一體的計(jì)算機(jī)、1個(gè)地面操縱面板(DSP操縱臺(tái))和1個(gè)數(shù)字電臺(tái)組成。其中，綜顯、測(cè)控計(jì)算機(jī)主要用來(lái)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并顯示靶機(jī)當(dāng)前的各種飛行參數(shù)；地面操縱面板(DSP操縱臺(tái))由油門(mén)桿和指令按鈕組成，用以控制指令的發(fā)送；電臺(tái)采用GE MDS系列長(zhǎng)距離傳輸數(shù)字電臺(tái)，用以保障靶機(jī)參數(shù)與地面指令的穩(wěn)定傳輸。

本次地面測(cè)控程序的開(kāi)發(fā)基于VC++6.0下的MFC開(kāi)發(fā)平臺(tái)，利用NI Measurement Studio AppWizard控件，開(kāi)發(fā)一套高速無(wú)人靶機(jī)的地面測(cè)控程序，用以本次設(shè)計(jì)的無(wú)人靶機(jī)的半物理仿真試驗(yàn)。

創(chuàng)建友好的人機(jī)交互界面是開(kāi)發(fā)地面測(cè)控站的關(guān)鍵所在。如圖5所示，地面測(cè)控臺(tái)由數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)模塊、航跡規(guī)劃模塊和指令控制模塊組成。數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)模塊可以實(shí)時(shí)顯示高速無(wú)人靶機(jī)地飛行參數(shù)和機(jī)載設(shè)備狀態(tài)，地面靶機(jī)操縱人員主要關(guān)注飛行過(guò)程中俯仰角、滾轉(zhuǎn)角和航向角變化情況，通過(guò)GPS參數(shù)欄也可以讀取由機(jī)載GPS解算的下傳數(shù)據(jù)，包括當(dāng)前經(jīng)緯度、飛行高度、飛行高度變化率、距離起飛點(diǎn)的東向距離和北向距離等。初始化、GPSA、GPSB、遙控、遙測(cè)和開(kāi)傘指示燈便于靶機(jī)操縱人員對(duì)靶機(jī)進(jìn)行故障診斷。航跡規(guī)劃模塊實(shí)時(shí)顯示靶機(jī)的實(shí)際飛行航線。指令控制模塊便于地面操縱人員在線修正靶機(jī)的航跡，確保其順利完成飛行任務(wù)。

圖5 高速無(wú)人靶機(jī)地面測(cè)控臺(tái)

4 高速無(wú)人靶機(jī)的半物理仿真試驗(yàn)

此次高速無(wú)人靶機(jī)試驗(yàn)已在半物理仿真平臺(tái)[11]上實(shí)現(xiàn)。首先使用仿真計(jì)算機(jī)來(lái)模擬飛行的狀態(tài)，將仿真數(shù)據(jù)如俯仰角、滾轉(zhuǎn)角、實(shí)時(shí)速度等靶機(jī)飛行時(shí)的參數(shù)信息通過(guò)電臺(tái)發(fā)送給飛控系統(tǒng)，飛控系統(tǒng)反饋當(dāng)前舵面信息給仿真計(jì)算機(jī)，然后數(shù)據(jù)發(fā)送給測(cè)控計(jì)算機(jī)，由測(cè)控計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)顯示飛行數(shù)據(jù)并記錄下來(lái)。

靶機(jī)仿真航跡如圖6所示。靶機(jī)在預(yù)定飛行航線上進(jìn)行自主飛行，從仿真航跡圖可以看出轉(zhuǎn)彎半徑約為0.7 km，以飛機(jī)起飛點(diǎn)作為坐標(biāo)原點(diǎn)，在靶機(jī)巡航1周后進(jìn)入返航狀態(tài)，并在預(yù)定的返航點(diǎn)進(jìn)行傘降著陸操作。

如圖7所示，靶機(jī)彈射起飛進(jìn)入航線，待靶機(jī)速度降至65 m/s時(shí)增大發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，靶機(jī)速度得以爬升，穩(wěn)定后飛行速度約為98 m/s。巡航1周后，靶機(jī)收到傘降著陸指令，進(jìn)行開(kāi)傘操作，速度突變減小。

如圖8所示，高速靶機(jī)彈射起飛后高度不斷爬升，隨即進(jìn)入預(yù)定飛行高度260 m。定高巡航1周后，靶機(jī)進(jìn)行傘降著陸，其高度發(fā)生突變減小。

圖6 靶機(jī)仿真航跡

圖7 靶機(jī)仿真飛行速度

圖8 靶機(jī)仿真飛行高度

如圖9所示，靶機(jī)彈射起飛時(shí)升降率瞬時(shí)值很大，但隨著高度不斷穩(wěn)定爬升，升降率逐漸減小。當(dāng)靶機(jī)進(jìn)入預(yù)定飛行高度260 m，升降率即趨于0。巡航1周后，靶機(jī)傘降著陸，升降率突變減小。

從整個(gè)仿真飛行過(guò)程可以看出，高速無(wú)人靶機(jī)在飛直線段和轉(zhuǎn)彎段時(shí)偏航距都比較小，能夠很好地按照預(yù)定航線飛行，滿足軍事打靶的要求。

圖9 靶機(jī)仿真飛行升降率

5 結(jié)束語(yǔ)

根據(jù)高速無(wú)人靶機(jī)的設(shè)計(jì)要求，提出了飛行控制系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)思路，采用了TMS320F28335芯片為主控制器來(lái)進(jìn)行飛控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，介紹了飛行控制系統(tǒng)的控制律和軟件開(kāi)發(fā)過(guò)程，同時(shí)開(kāi)發(fā)了配套的高速無(wú)人靶機(jī)地面測(cè)控站，最后通過(guò)地面半物理仿真試驗(yàn)驗(yàn)證了本次設(shè)計(jì)。試驗(yàn)的結(jié)果表明，該飛行控制系統(tǒng)可以穩(wěn)定運(yùn)行，各種飛行參數(shù)均符合設(shè)計(jì)要求，能夠完成高速無(wú)人靶機(jī)的飛行任務(wù)。

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