一種可變形飛行器的無人機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)

摘要：飛控系統(tǒng)是無人機(jī)的核心，無人機(jī)的外部架構(gòu)對其性能的影響也很重要。為了提高無人機(jī)系統(tǒng)性能，給出一種無人機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。文章在介紹變形飛行器和飛控系統(tǒng)功能要求的基礎(chǔ)上，給出了基于芯片LPC2148的硬件設(shè)計(jì)，介紹了各個(gè)硬件部分的功能、軟件架構(gòu)和控制規(guī)律的選擇與設(shè)計(jì)，詳細(xì)介紹了實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)備工作和實(shí)際飛行情況，給出了軟件調(diào)試流程圖，分析了調(diào)試結(jié)果。經(jīng)過多次飛行試驗(yàn)，表明系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是適合實(shí)驗(yàn)中的可變形飛行器的，并且合理可靠，能夠完成預(yù)期的飛行任務(wù)，具有較好的實(shí)用性。
關(guān)鍵詞：變形飛行器；飛控系統(tǒng)；無人機(jī)；地面控制站；實(shí)驗(yàn)

0 引言
無人駕駛飛行器簡稱無人機(jī)(UAV)，是一種由動(dòng)力驅(qū)動(dòng)、無人駕駛和可重復(fù)使用的航空器。無人機(jī)因其成本低、效率好、應(yīng)用靈活、危險(xiǎn)系數(shù)小等優(yōu)點(diǎn)而廣泛應(yīng)用于偵查、目標(biāo)指示、生化武器探測、電子干擾、航空攝影、水災(zāi)監(jiān)視等軍事和民用領(lǐng)域。
隨著國家現(xiàn)代化和國防事業(yè)的發(fā)展，單一飛行模式的飛行器(運(yùn)輸機(jī)、戰(zhàn)斗機(jī)、旋翼機(jī)、火箭、導(dǎo)彈、無人機(jī)、飛艇、空天往返飛機(jī)等)已經(jīng)難以滿足不斷增長的需求。新一代空天飛行器從地面或運(yùn)載平臺上起飛，可以穿越大氣層飛行，執(zhí)行各種任務(wù)使命，其飛行環(huán)境(高度、飛行馬赫數(shù)等)變化很大。固定外形的飛行器很難適應(yīng)如此廣泛的環(huán)境參數(shù)變化，保持優(yōu)良的性能。為了適應(yīng)更加寬廣的飛行空域和速度范圍變化，需要發(fā)展一種能隨著外界飛行環(huán)境自適應(yīng)地改變飛行器外形、始終保持優(yōu)良飛行性能的“智能變形飛行器”。
無人機(jī)控制系統(tǒng)的核心部件為機(jī)載飛控系統(tǒng)和地面控制站。飛控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對無人機(jī)的自主飛行控制；地面控制站實(shí)現(xiàn)對無人機(jī)遙控，航跡規(guī)劃，改變飛行計(jì)劃，通信聯(lián)絡(luò)等任務(wù)。地面站同時(shí)完成接收、處理、發(fā)送信息的任務(wù)。

1 飛控系統(tǒng)功能要求
保持無人機(jī)按照預(yù)定飛行計(jì)劃飛行，并且能根據(jù)地面指令及時(shí)調(diào)整姿態(tài)和飛行；對擾動(dòng)具有抗干擾性，能及時(shí)從擾動(dòng)中調(diào)整和恢復(fù)正常飛行；并且具有較小的體積和重量，保證無人機(jī)的飛行效率和足夠的飛行時(shí)間。對飛控系統(tǒng)的具體要求為：能完成飛行控制信號輸出，控制升降舵機(jī)、方向舵機(jī)、發(fā)動(dòng)機(jī)油門舵機(jī)和副翼舵機(jī)；對當(dāng)前飛行狀態(tài)信息的采集，包括航向、姿態(tài)、高度、速度；通過串口接受GPS信息；地面控制站和飛控系統(tǒng)通過數(shù)傳電臺進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸；能夠在遙控飛行和自主飛行間切換。

2 變形飛行器機(jī)構(gòu)和變形控制
飛行控制器根據(jù)飛行任務(wù)和飛行條件的要求，確定副翼變形頻率，使變形速度既滿足任務(wù)需求，又對飛行產(chǎn)生的不利影響最小，而變形過程中機(jī)翼的轉(zhuǎn)動(dòng)會(huì)對飛行器的氣動(dòng)力產(chǎn)生影響，氣動(dòng)布局的改變使其穩(wěn)定特性受到影響。所以合理選擇變形飛行器，變形控制算法的設(shè)計(jì)和布置內(nèi)部硬件顯得尤為重要。
本設(shè)計(jì)采用的變形飛行器結(jié)構(gòu)為仿F-14模型，如圖1。

該模型特點(diǎn)如下：一是機(jī)翼結(jié)構(gòu)為后掠角可變，二是全動(dòng)尾翼結(jié)構(gòu)，機(jī)體橫側(cè)向滾轉(zhuǎn)靈活。

3 機(jī)載飛控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖總體設(shè)計(jì)
我們采用開源網(wǎng)站開發(fā)設(shè)計(jì)的機(jī)載飛控系統(tǒng)飛控板，系統(tǒng)設(shè)計(jì)如圖4所示。

3．1 系統(tǒng)芯片介紹
LPC2148是基于一個(gè)支持實(shí)時(shí)仿真和嵌入式跟蹤的32位ARM7 TDMI-S CPU的微控制器，并帶有32kB和512kB嵌入的高速flash存儲(chǔ)器。該芯片可以配置GPS、紅外傳感器等外部設(shè)備來達(dá)到我們預(yù)期的飛行目的。