500公斤級無人直升機飛控導(dǎo)航系統(tǒng)的設(shè)計與應(yīng)用

賀偉 李新平

摘? 要：直升機以其懸停、貼地飛行、機動性能等特點能夠有效滿足軍事需求，故而一直是軍事研究的重點項目。較之有人駕駛直升機，無人直升機的關(guān)鍵在于其飛控導(dǎo)航系統(tǒng)，該系統(tǒng)是無人直升機能夠有效完成任務(wù)的核心所在。文章以500kg級無人直升機為對象，對其飛控導(dǎo)航系統(tǒng)的設(shè)計及應(yīng)用展開論述。

關(guān)鍵詞：無人直升機;飛控導(dǎo)航系統(tǒng);系統(tǒng)設(shè)計與應(yīng)用

中圖分類號：V279? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：2095-2945（2019）26-0037-02

Abstract： Helicopter with its hovering and hanging in the air， ground flight， maneuverability and other characteristics can effectively meet the military needs， so it has always been the key project of military research. Compared with the manned helicopter， the key of the unmanned helicopter lies in its flight control navigation system， which is the core of the unmanned helicopter to complete the mission effectively. Taking the 500kg class unmanned helicopter as the object， this paper discusses the design and application of its flight control and navigation system.

Keywords： unmanned helicopter; flight control navigation system; system design and application

本文以500kg級無人直升機為具體對象，對其飛控導(dǎo)航系統(tǒng)的設(shè)計與應(yīng)用展開研究。該機最大起飛重量為550公斤，采用活塞式發(fā)動機，主結(jié)構(gòu)為金屬材料。該機是在H3超輕型直升機平臺基礎(chǔ)上，通過設(shè)計改型，研制一款新型的多用途無人直升機，這是目前國內(nèi)噸位較大的無人直升機，有效載荷高達(dá)180kg，使用95號車用汽油，續(xù)航時間可在3～3.5小時，此款無人直升機型號在軍用、民用無人機領(lǐng)域，都具有強大的市場競爭力。

1 飛控導(dǎo)航系統(tǒng)構(gòu)成

飛控導(dǎo)航系統(tǒng)作為無人機關(guān)鍵系統(tǒng)，不同于其它系統(tǒng)，這是個獨立的子系統(tǒng)，能夠在不同型號的無人直升機上通用，并且經(jīng)過特殊設(shè)計，能夠完成不同的任務(wù)。

飛控導(dǎo)航系統(tǒng)主要功能是飛行過程中飛行姿態(tài)控制和飛行軌跡控制。主要用于穩(wěn)定無人機飛行姿態(tài)，控制發(fā)動機轉(zhuǎn)速和飛行航跡。可實現(xiàn)直升機俯仰、傾斜、偏航、升降，以及飛行高度的穩(wěn)定性控制、側(cè)向偏離控制和自動協(xié)調(diào)轉(zhuǎn)彎控制。對無人直升機實現(xiàn)全權(quán)控制與管理，因此飛控導(dǎo)航系統(tǒng)對于無人直升機相當(dāng)于駕駛員對于有人直升機，是無人直升機基本飛行和執(zhí)行任務(wù)的關(guān)鍵。

飛控導(dǎo)航系統(tǒng)包括飛控子系統(tǒng)、導(dǎo)航子系統(tǒng)和飛行管理子系統(tǒng)。

2 飛控導(dǎo)航系統(tǒng)設(shè)計

2.1 飛控導(dǎo)航計算機

2.1.1 硬件設(shè)計

飛控導(dǎo)航計算機硬件結(jié)構(gòu)為：

a.嵌入式單片機：包括處理器，數(shù)字I/O及其控制，標(biāo)準(zhǔn)串行接口及總線驅(qū)動、隔離等。b.AD/DA轉(zhuǎn)換器：包括數(shù)據(jù)采集與處理，伺服控制。c.測量信號采集與處理：包括各種模擬信號的調(diào)理電路。d.GPS定位信號接收器：該板上裝有GPS接收機。e.隔離板：對所有進(jìn)出機載計算機的信號進(jìn)行濾波和隔離。f.濾波板：電源濾波。g.接口：飛控導(dǎo)航計算機對外接口分為串口、數(shù)字量輸入/輸出、模擬量輸入/輸出等，用于和機載傳感器、伺服舵機、無線傳輸、任務(wù)設(shè)備等進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

2.1.2 軟件設(shè)計

軟件設(shè)計模塊劃分：主模塊、定時中斷處理模塊和串行中斷處理模塊。

a.主模塊主要完成系統(tǒng)初始化，包括RAM初始化、操作系統(tǒng)裝載、A/D、D/A、數(shù)字I/O和串行口初始化、A/D測試及采集、狀態(tài)信息采集、遙測編碼、航向解算及實時處理、導(dǎo)航數(shù)據(jù)處理等。b.定時中斷處理模塊主要完成與時間有關(guān)的周期性任務(wù)，包括無線傳輸管理、檢測和任務(wù)規(guī)劃數(shù)據(jù)處理、飛行控制律解算、伺服控制、飛行模態(tài)管理等。c.串行口中斷處理模塊主要響應(yīng)串行口中斷，進(jìn)行中斷識別并按不同中斷源做出不同處理。若中斷源為航向傳感器、GPS接收機，僅接收數(shù)據(jù);若中斷源為TCTM設(shè)備，除接收遙控信息外，還要對遙控信息進(jìn)行處理，譯碼并進(jìn)行響應(yīng)操作。

系統(tǒng)軟件運行以主模塊為核心，其他兩個模塊均以中斷方式運行。定時中斷優(yōu)先級高于串行口中斷，各串行口中斷的優(yōu)先級按波特率的高低而不同，波特率高的優(yōu)先級高。通過合理的優(yōu)先級分配、定時中斷周期選擇以及各模塊之間的調(diào)度，有效地解決系統(tǒng)軟件的實時性問題。

2.2 機載傳感器組

無人直升機機載傳感器包括兩個部分，一是原型機儀表板指示器的原有傳感器及系統(tǒng)告警傳感器。如發(fā)動機轉(zhuǎn)速傳感器、旋翼轉(zhuǎn)速傳感器、滑油溫度傳感器等。二是飛控導(dǎo)航系統(tǒng)新增的傳感器，包括角速度率傳感器、姿態(tài)傳感器、位置傳感器、高度傳感器及磁航向傳感器等，這些傳感器構(gòu)成導(dǎo)航飛控系統(tǒng)自動控制的基礎(chǔ)。

2.2.1 定速儀

定速儀主要用來控制無人直升機發(fā)動機轉(zhuǎn)速，從而控制旋翼轉(zhuǎn)速使其穩(wěn)定在535RPM左右。定速儀接收來自發(fā)發(fā)動機的轉(zhuǎn)速信號以及來自飛控的信號控制油門舵機，油門舵機接受來自定速儀的控制信息，通過油門鋼索改變油門的開度，從而改變發(fā)動機的轉(zhuǎn)速。

定速儀相當(dāng)于發(fā)動機轉(zhuǎn)速的PID控制器，有了定速儀便可以維持直升機的旋翼轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定。定速儀的應(yīng)用大大降低了旋翼轉(zhuǎn)速控制的難度。

2.2.2 超聲波高度計

超聲波高度計主要用于5米以下的高度測量，以彌補GPS定位系統(tǒng)在低空時測量精度不夠的缺陷。

超聲波高度計成本低，安裝簡便，一般應(yīng)用于低空作業(yè)的無人機平臺。但超聲波高度計作用距離短，只能作為無人直升機高度測量輔助傳感器。

2.2.3 GNSS衛(wèi)星導(dǎo)航接收機加磁航向傳感器

無人直升機飛行過程利用傳感器敏感的具體方位，是飛行軌跡控制的必要前提。慣性導(dǎo)航設(shè)備、GNSS衛(wèi)星導(dǎo)航接收機（其中包含GPS/BD2/格洛納斯）、磁航向傳感器都是典型的位置傳感器。

GPS天線安裝在尾梁上端，避免信號遮擋的問題。磁航向傳感器安裝在飛控機箱上部，其外殼采用非金屬材料制作，避免鐵磁材料的干擾影響。

2.3 伺服舵機

伺服舵機指令來源 Futaba指令和控制律解算，可采用 Fu taba直通操控模式、控制律自動控制模式、人工/增穩(wěn)混合控制模式等三種?？刂浦噶顐鬏?shù)絻A斜盤的4個舵機，用于控制直升機的俯仰、橫滾姿態(tài)以及總距;控制指令傳送至尾舵機，用于直升機航向控制。

伺服舵機基本要求是工作可靠、重量輕、尺寸小，選用SSPS105電動舵機作為俯仰、橫滾、升降和方向控制的執(zhí)行舵機，HITEC HS-7980電動舵機作為油門舵機。

2.4 數(shù)據(jù)鏈路

該機具備兩套數(shù)據(jù)鏈路，F(xiàn)utaba鏈路和另一套獨立的無線電測控鏈路可協(xié)同工作。Futaba鏈路主要用于小于1500m近距離范圍內(nèi)人工半自主飛行、測試。另一套數(shù)據(jù)鏈路采用訊聯(lián)科技100KM測控與信息一體化設(shè)備產(chǎn)品主要用于自主飛行以及較遠(yuǎn)距離的自主飛行和測試。

3 飛控導(dǎo)航系統(tǒng)應(yīng)用

3.1 仿真試驗

對該機采用半物理仿真試驗，因為全數(shù)字仿真試驗難以將執(zhí)行機構(gòu)和傳感器等非線性環(huán)節(jié)對飛控系統(tǒng)的影響完全考慮進(jìn)去，仿真置信度不及半物理仿真。

半物理仿真平臺用于完成無人直升機試飛之前對飛控系統(tǒng)動態(tài)測試，數(shù)字仿真系統(tǒng)對自動駕駛儀進(jìn)行機載傳感器和GPS信號注入，自動駕駛儀按照真實飛行的方式給數(shù)字仿真系統(tǒng)發(fā)出控制指令，實現(xiàn)對數(shù)字仿真機的控制，從而驗證自動駕駛儀的執(zhí)行策略和直升機的飛行品質(zhì)。

仿真計算機一方面通過RS-232串行總線實現(xiàn)與地面控制軟件的數(shù)據(jù)通訊，另一方面還通過網(wǎng)絡(luò)傳輸方式，將飛行過程運動信息實時發(fā)送至視景模擬計算機，主要完成以下功能：（1）解算六自由度非線性飛行器運動方程，得到飛機各種運動參數(shù)信息。（2）運行發(fā)動機仿真程序，根據(jù)飛行高度、空速、發(fā)動機油門位置和發(fā)動機轉(zhuǎn)速解算出發(fā)動機輸出扭矩。（3）仿真飛行控制系統(tǒng)的各種傳感器向飛控系統(tǒng)提供傳感器信息，如氣壓高度傳感器、磁力計、空速計、慣導(dǎo)、GPS等信息。（4）解算舵機環(huán)節(jié)仿真模型，根據(jù)接收到的舵偏指令響應(yīng)。（5）解算風(fēng)擾動仿真模型，為飛行過程仿真提供側(cè)風(fēng)、紊流和突風(fēng)數(shù)據(jù)。

3.2 飛行試驗

該無人直升機自從2016年12月解除系留繩，帶井字架首飛成功;2018年1月在日照嵐山機場進(jìn)行了低溫性能、平飛性能、載荷性能等試飛科目;2018年6月完成某基地鑒定試飛，鑒定試飛主要科目是平飛性能、斜向爬升性能、垂直爬升性能、航程和續(xù)航時間試飛科目，通過某基地鑒定試飛，驗證無人直升機平臺各個系統(tǒng)工作穩(wěn)定性和可靠性，考核驗證該型機總體技術(shù)指標(biāo);對飛控導(dǎo)航系統(tǒng)功能性、工作可靠性進(jìn)行考核，充分驗證了飛控導(dǎo)航系統(tǒng)的飛行姿態(tài)增穩(wěn)功能、自主飛行控制功能和系統(tǒng)自檢測功能。2019年5月該無人直升機實現(xiàn)了飛越瓊州海峽的壯舉。

試驗結(jié)果表明，500kg級無人直升機飛控導(dǎo)航系統(tǒng)設(shè)計合理，能夠在多種復(fù)雜環(huán)境下進(jìn)行可靠的應(yīng)用?？諜C重量低，空重比高，有效載荷達(dá)180kg，在同噸位無人機中，任務(wù)載荷量大。所以除完成空中靶機的任務(wù)使命，能掛載不同的任務(wù)載荷，遂行生化探測、農(nóng)林噴灑、物流、察打一體等不同的任務(wù)使命。同時，無人直升機研發(fā)周期短，有效地控制了研制成本和使用成本，無人直升機系統(tǒng)功能強大，性能指標(biāo)與同噸位機型大致相同，但價格低，產(chǎn)品性價比高。

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