許多倫，蔡宇哲，薛松浩，余心軍

（上海工程技術(shù)大學(xué)航空運輸學(xué)院 飛行學(xué)院 上海 201620）

1 引言

本項目立足于國內(nèi)外先進的航拍飛行器制造技術(shù)，結(jié)合上位機數(shù)據(jù)傳輸功能的無人機的控制及位置跟蹤平臺，設(shè)計裝配出的一套全新的無人機飛行器飛行定位控制系統(tǒng)。

數(shù)據(jù)輸出系統(tǒng)是以無人機為被控對象，通通過上位機數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)輸出無人機的飛行數(shù)據(jù)，主要作用是穩(wěn)定和監(jiān)控?zé)o人機的飛行參數(shù)，飛行狀態(tài)，飛行航向，實施無人機操控者對無人機的操控，從而實現(xiàn)對無人機，飛行姿態(tài)，飛行速度，飛行航向等重要飛行參數(shù)的實時監(jiān)控。

數(shù)據(jù)輸出系統(tǒng)主要由三個部分組成。數(shù)據(jù)模塊，飛行器，數(shù)據(jù)輸出軟件。模塊部分中包括慣導(dǎo)模塊，GPS模塊。飛行器則是四翼旋翼機。數(shù)據(jù)輸出系統(tǒng)及上位機軟件，他可以幫助操縱者得知無人機輸出的各項飛行參數(shù)，幫助操縱者更直觀的了解無人機的飛行參數(shù)，幫助操控者更為經(jīng)足額的操控?zé)o人飛行器。

上位機模塊軟件在實時領(lǐng)域，是利用高性能的模塊化硬件，結(jié)合高效靈活的的慣導(dǎo)GPS模塊軟件來完成各種測試、測量以及數(shù)據(jù)輸出。

目前在虛擬儀器領(lǐng)域，目前應(yīng)用較廣的軟件就是美國NI公司的Labview稱為“G語言”，是一種圖形化的程序語言。

與Labview，以及其他很多軟件的不同之處是，使用上位機數(shù)據(jù)模塊進行程序設(shè)計時不需要編輯程序代碼，而是直接使用芯片模塊與飛行器的的連接，進行數(shù)據(jù)分析與輸出，它用芯片以及計算機的直接連接代替原有的程序代碼，使操縱者可以直觀的理解程序的流程，同時降低了無人機飛行器使用者的入門門檻，是受眾面更加廣泛。上位機模塊是有高性能的模塊化的軟硬件，使其具有高性能、擴展強、開發(fā)周期短，泛用性強的特點。正因為以上羅列的這些優(yōu)點，在這次項目的測試使用過程中，我們選擇它作為我們最主要的數(shù)據(jù)分析輸出系統(tǒng)。

2 基于慣導(dǎo)以及GPS的飛行器定位系統(tǒng)

“基于慣導(dǎo)以及GPS的飛行器定位系統(tǒng)”主要采用衛(wèi)星定位系統(tǒng)，包括GPS定位，慣性導(dǎo)航系統(tǒng)等。

本設(shè)計立足國內(nèi)外先進的定位設(shè)備，通過自主設(shè)計一套將GPS，INS模塊優(yōu)點結(jié)合，從而將使輸出數(shù)據(jù)更為精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)輸出軟件，得到遙控?zé)o人機的飛行軌跡，飛行速度，航向等重要飛行參數(shù)。幫助操控者更直觀的了解無人機實時的飛行參數(shù)。

該平臺分飛行控制操縱部件，數(shù)據(jù)模塊，顯示端這三個部分。飛行器模塊主要工作任務(wù)是提供飛行器空間定位系統(tǒng)載體；數(shù)據(jù)模塊部分的主要工作任務(wù)分析輸出數(shù)據(jù)；顯示操作終端模塊的主要工作任務(wù)是顯示實時的飛行參數(shù)。

就無人機硬件部分，該平臺配置了一套四軸飛行器，其中包括飛行器本身、用于穩(wěn)定攝像機的云臺、用于控制飛行器的遙控器、用于顯示實時飛行參數(shù)的計算機、用于飛行器的航向，高度，速度，等信息的上位機數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備。

四旋翼機的穩(wěn)定性在所有航空器中最高。它可自動調(diào)節(jié)，使機身具有良好的俯仰穩(wěn)定性、滾轉(zhuǎn)穩(wěn)定性和速度穩(wěn)定性。由于旋翼視的旋翼安裝角比直升機的要大些，所以具有更好的陀螺效應(yīng)，穩(wěn)定性也大大提高。

該平臺的軟件設(shè)計部分則是借助上位機數(shù)據(jù)輸出軟件開發(fā)出一套能夠?qū)崟r監(jiān)測無人機飛行狀態(tài)及飛行參數(shù)的系統(tǒng)。

可劃分為飛機舵面及姿態(tài)信息顯示窗口、無人機參數(shù)輸出窗口等兩個模塊，以下為兩個模塊的功能說明：

（1）飛機舵面及姿態(tài)信息顯示窗口（見圖1）：主要用來直觀顯示飛機各個飛行參數(shù)包括航向，姿態(tài)。通過無人機遙控器操作的上下或左右移動來控制飛機進行滾轉(zhuǎn)，俯仰，偏航等姿態(tài)變化并且可以精確控制飛機的飛行速度從而操作飛機進行上升或下降等姿態(tài)上的變化。

圖1 上位機數(shù)據(jù)輸出軟件

（2）無人機參數(shù)輸出窗口：主要用于輸出無人機實時的飛行參數(shù)。例如角速度，飛行的角度等。除了主控制系統(tǒng)，該平臺還設(shè)計實現(xiàn)了基于慣導(dǎo)以及GPS飛行定位系統(tǒng)對無人機的飛行姿態(tài)，參數(shù)的控制和輸出都是實時的，而且在該系統(tǒng)中輸出的數(shù)據(jù)模塊界面直觀易懂，對于數(shù)據(jù)輸出種類，姿態(tài)的的展示都簡潔明了。面板上顯示飛機的平飛、俯仰、轉(zhuǎn)彎等姿態(tài)，并且以數(shù)據(jù)的形式直觀地體現(xiàn)給操作者。

3 結(jié)語

該平臺的特點在于集成度高，即：能采用上位機數(shù)據(jù)輸出系統(tǒng)，INS、GPS等來采集飛行器航行姿態(tài)及軌跡等飛行數(shù)據(jù)，并動態(tài)跟蹤飛機位置，高度等一系列飛行參數(shù)。

此外，該平臺可拓展性也較強，可實現(xiàn)對多無人機參數(shù)實時采集及信息融合修正等數(shù)據(jù)處理的相關(guān)設(shè)計。

該平臺應(yīng)用前景廣泛，可用于航拍，重大活動時的無人機飛行操控，利于主辦方，操縱者在布置設(shè)計方面特供更多的參數(shù)。還可以讓操縱者更快地發(fā)現(xiàn)無人機飛行中姿態(tài)，航向上的問題，從而降低無人機飛行活動中的錯誤率。也可安裝在小型飛機上，從而在飛行姿態(tài)記錄儀中記錄飛行時飛機在各個時間點上的姿態(tài)以及各個舵面的變化情況，實時輸出的飛行參數(shù)還可以以用于飛行后的飛行質(zhì)量總結(jié)和飛行事故癥候的評估。

此外，也可用于飛行事故后的分析，可通過數(shù)據(jù)回放的形式來觀測飛機各個時段飛機飛行的姿態(tài)，飛行的速度為飛行事故的分析提供更多直觀，簡潔的數(shù)據(jù)資料。