小型無人靶機(jī)掠海定高飛行控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
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3 控制器軟硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
高度控制器是靶機(jī)飛控系統(tǒng)的一部分，它以飛控計(jì)算機(jī)為核心，并與各路傳感器及執(zhí)行結(jié)構(gòu)共同構(gòu)成閉環(huán)控制系統(tǒng)。主要由飛控計(jì)算機(jī)、垂直陀螺、角速率陀螺、無線電高度表、加速度計(jì)、舵回路控制器、舵機(jī)等設(shè)備組成。
(1)飛控計(jì)算機(jī)
飛控計(jì)算機(jī)包括主機(jī)板、A／D轉(zhuǎn)換板、串行數(shù)據(jù)通訊接口板、開關(guān)量接口板、D／A轉(zhuǎn)換板、模擬輸入前置處理板、離散輸入／輸出及光電隔離／驅(qū)動(dòng)板、DC／DC電源變換板等。采用基于ARM的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)，具有體積小，功耗低，硬件資源豐富，易于開發(fā)，實(shí)時(shí)性和可靠性好等優(yōu)勢。主機(jī)板處理器選用ARM7TDMS-S體系結(jié)構(gòu)的32位LPC2124芯片，其16 KB的內(nèi)部RAM以及128 KB的內(nèi)部FLASH存儲(chǔ)器，可很好地滿足嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)RTOS(μC／OS-Ⅱ)的運(yùn)行要求，保證系統(tǒng)每20 ms能進(jìn)行一次高度控制律解算。
(2)垂直陀螺
選用TC-3E型垂直陀螺儀，在高度控制回路中主要用于測量飛機(jī)俯仰角姿態(tài)，工作范圍俯仰角為±30°，輸出模擬電壓信號(hào)。
(3)角速率陀螺
選用2軸角速率陀螺，在高度控制回路中主要用于測量飛機(jī)俯仰姿態(tài)角速度，俯仰角速度輸出范圍為±60°／s，輸出模擬電壓信號(hào)。
(4)無線電高度表
采用調(diào)頻／連續(xù)波(FM／CW)體制，工作頻率為4 200～4 400 MHz，測高范圍為0～300 m，高度輸出形式為：RS 232串口輸出，波特率為38 400 b／s，更新率為50 Hz。
(5)加速度計(jì)
加速度計(jì)安裝在靶機(jī)的重心位置，用于測量拖靶的垂直方向加速度，選用ADXL105AQC加速度計(jì)芯片，精度為±1～±5 g，單通道模擬輸出，分辨率2 mg。
(6)舵回路控制器
基于PWM直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)器專用集成電路L292設(shè)計(jì)。包括位置調(diào)節(jié)器、電流調(diào)節(jié)器、PWM功放、位置反饋和電流反饋傳感器。位置反饋為主反饋回路，采用WDL－25直滑式精密導(dǎo)電塑料電位器；電流反饋采用標(biāo)準(zhǔn)電阻。
(7)升降舵機(jī)
采用齒輪減速永磁直流力矩電機(jī)，額定轉(zhuǎn)矩15 Nm，額定轉(zhuǎn)速(減速后)4±1 r／min。
(8)軟件設(shè)計(jì)
基于嵌入式實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)μC／OS－Ⅱ下編寫應(yīng)用程序，具有可移植、裁剪、多任務(wù)和基于優(yōu)先級(jí)的搶占式任務(wù)調(diào)度等特點(diǎn)，實(shí)時(shí)性好，可靠性高。使用實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)(RTOS)是因?yàn)榭蓪?yīng)用分解成多任務(wù)，簡化了應(yīng)用軟件的設(shè)計(jì)，同時(shí)RTOS使控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性得到保證；良好的多任務(wù)設(shè)計(jì)，又有助于提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。本文引用地址：http://butianyuan.cn/article/163487.htm
4 半實(shí)物仿真實(shí)驗(yàn)與結(jié)果
在自行搭建的無人機(jī)半實(shí)物仿真平臺(tái)上，對所開發(fā)的小型無人靶機(jī)高度控制系統(tǒng)進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。飛機(jī)模型采用六自由度非線性全量運(yùn)動(dòng)方程，基本仿真步長為5 ms，仿真計(jì)算精度為64 b(雙精度浮點(diǎn))。仿真系統(tǒng)包括在三軸轉(zhuǎn)臺(tái)上的垂直陀螺、角速率陀螺，與動(dòng)靜壓模擬器連接的空速傳感器，而無線電高度表信號(hào)、加速度計(jì)信號(hào)則通過計(jì)算機(jī)模擬，再接人高度控制計(jì)算機(jī)、舵機(jī)等構(gòu)成仿真回路。仿真結(jié)果如圖4和圖5所示，本文給出了兩種主要干擾條件下的結(jié)果。
仿真結(jié)果表明，在4級(jí)海情產(chǎn)生高度表噪聲影響和加速度計(jì)測量誤差影響的情況下，系統(tǒng)能夠控制靶機(jī)平穩(wěn)進(jìn)入14 m定高飛行狀態(tài)，并按精度要求保持在預(yù)定高度飛行。在5 m／s垂風(fēng)干擾下，靶機(jī)能夠很快回到預(yù)定的14 m基準(zhǔn)高度?？梢娤到y(tǒng)靜動(dòng)態(tài)響應(yīng)指標(biāo)能滿足設(shè)計(jì)要求。
5 結(jié) 語
本文基于無線電高度表／加速度計(jì)組合控制模式，采用成熟的比例一微分(PD)控制原理，Kalman互補(bǔ)濾波的信號(hào)處理方法，以及基于ARM的硬件實(shí)現(xiàn)和μC／OS－Ⅱ嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的軟件開發(fā)，設(shè)計(jì)了小型靶機(jī)超低空掠海飛行高度控制器，其結(jié)構(gòu)簡單緊湊，原理可行。半實(shí)物仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，系統(tǒng)具有良好的靜、動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性，完全能夠實(shí)現(xiàn)對靶機(jī)超低空高精度掠海定高飛行的控制，系統(tǒng)設(shè)計(jì)和軟硬件實(shí)現(xiàn)都是成功的。
評(píng)論