滑翔靶机飞行控制系统的设计与实现

王冬明

(上海飞机设计研究院，上海　201210)

滑翔靶机飞行控制系统的设计与实现

王冬明

(上海飞机设计研究院，上海201210)

以DSP和FPGA相结合设计飞行控制计算机。以飞行控制计算机为核心，配合GPS接收机、垂直陀螺仪和舵机等器件，并以数字电台作为靶机与地面站之间的通信设备，构成靶机的新型低成本飞行控制系统。

靶机;飞行控制;DSP;FPGA

靶机是主要的航空靶标，是一种有翼面、可依靠自动驾驶系统和无线电设备控制机动飞行的无人机［1］。无人靶机是空军的常用训练设备，对提高空军和防空部队的作战能力有较大的帮助［2－3］。完整的靶机控制系统包括飞行控制系统和地面控制系统两部分。

1　飞行控制系统总体设计

本设计中被控对象为无动力滑翔靶机，尾翼为4片梯形翼片，呈X型均匀分布，机翼有收起和展开两种构型。尾翼为全动作尾翼，由4个舵机分别驱动调整偏转角，调整靶机姿态。

靶机的工作状态分为地面测试和数据装订、载机挂载飞行、自主滑翔飞行、解体回收4种，其功能要求如下:

a．保存预设的参数。

b．存储飞行数据，并实时发送到地面站。

c．对靶机进行遥控遥测。

d．控制靶机达到目标飞行速度，保持平飞姿态。

e．若出现异常情况可解体回收。

f．解体后，继续发送位置信息。

靶机飞行控制系统的控制器为嵌入式计算机;传感器有垂直陀螺和GPS接收机，垂直陀螺用于检测靶机的俯仰角度和滚转角度，GPS接收机用于提供靶机的海拔高度、经纬度、速度和航向等信息;执行器为电动舵机，控制尾翼的偏转角度;靶机与地面站之间的通信设备为数字电台。飞行控制系统的结构图如图1所示。

图1　飞行控制系统结构图

飞行控制系统主要完成飞行操纵和任务管理。要实现靶机自动飞行，首先需要传感器测量靶机的飞行状态，然后由控制器进行比较计算，输出控制信号到执行机构来驱动操纵舵面，从而控制靶机的飞行状态。飞行控制的基本原理如图2所示。

图2　飞行控制基本原理图

靶机的姿态控制有俯仰、偏航和滚转3个通道。俯仰和偏航通道的作用主要是调整靶机姿态，抑制飞行中的随机扰动，使靶机在指定空域内按照预定的航迹飞行。滚转通道是控制系统整体回路中的一个快速通道，它的稳定是靶机平稳飞行的基础。滑翔靶机可以看作是对称的飞行器，俯仰控制通道和偏航控制通道的特性基本相同。以俯仰通道为例，其控制通道如图3所示。

图3　俯仰通道结构图

无人机常见的控制方式主要有自主控制、半自主控制、程序/指令控制和遥控控制4种方式［4］。控制系统的任务重点是保证靶机能够按预定航迹平稳飞行，任务相对简单，因此一般采用程序/指令控制方式，预先装载航迹和飞行控制程序，地面站在必要时发送控制指令。

2　飞行控制系统硬件设计

飞行控制计算机采用以数字信号处理器DSP与现场可编程门陈列FPGA相结合，再配合电源、时钟、存储器等外围电路构成完整的系统方案。DSP主要负责系统监控、运算并给出控制指令;FPGA主要完成时序控制、信号的采集和输出。DSP与FPGA组合能充分发挥两者的优点。飞行控制计算机的结构如图4所示。

图4　飞行控制计算机结构

飞行控制计算机采用模块化设计，主要由核心处理单元、信号采集和指令输出单元、通信单元3部分组成。电路设计将功能相近或联系较多的电路整合到一个模块，通过端口将所有模块连成系统，利于芯片布局和布线，同时有效提高系统抗干扰能力。飞行控制计算机的电路原理如图5所示。

图5　电路原理图结构

靶机机身狭长，飞行控制计算机需要安装在封闭的金属盒中，其体积小、密度高，并具备足够的结构强度和抗电磁干扰能力。飞行控制计算机的PCB电路板采用多层板结构，共有6层，分别为顶层、地层、信号层1、信号层2、电源层和底层。其中顶层放置主要芯片、接口和指示灯，底层放置电容、电阻和功率放大器芯片，信号层居于地层和电源层之间，能够减少信号之间的干扰，提高系统抗电磁干扰能力。

3　飞行控制系统软件设计

DSP程序的功能是监控各器件状态，保持系统正常运行并计算输出控制指令。要实现DSP的上述功能需要完成两项编程工作:一是编写硬件底层的驱动程序和输入输出接口程序，使飞行控制计算机能够运行;二是按任务流程和要求编写系统主程序，实现飞行控制系统功能。系统主程序的工作流程如图6所示。

建立靶机数学模型的参数来自于试验数据，试验能够准确地反映靶机的空气动力学特性和控制特性。在仿真时，控制律为模拟连续量，因此经仿真得到的飞行控制律需要离散化才能应用到数字控制系统中。靶机的坐标系采用地面坐标系、机体坐标系和速度坐标系［5］。依据靶机的俯仰操纵效率特性，可对靶机的纵向航迹进行仿真，其原理如图7所示。

图6　DSP主程序流程图

图7　靶机纵向航迹仿真原理图

为改善靶机的性能，在仿真中加入控制器环节，控制方法采用PID方法。经过反复调试得出较为合理的控制参数和控制效果。图8为引入PID控制后，靶机的水平速度和垂直速度随时间变化的曲线。

图8　靶机速度变化曲线

通过图8可以看出，仿真结果基本满足设计要求，靶机能够保持稳定飞行，速度和高度变化曲线较为平缓。

4　结论

经过仿真和测试，本文所设计的飞行控制系统能够满足靶机的既定功能，实现靶机平稳飞行。证明以DSP和FPGA为核心的飞控计算机架构合理，驱动和程序设计有效。

［1］陈峰，陈曦，陈翔宇.空中靶标的现状与发展趋势［J］.兵工自动化，2006，25(12):13 －15.

［2］瑞欣.幕后英豪中国航空靶机的发展［J］.中国海军，2007(8):53－54.

［3］雷金奎.无人驾驶靶机飞行控制系统设计［J］.测控技术，1999(1):37－50.

［4］李晓强.无人机飞行控制系统的硬件设计与研究［D］.西安:西安理工大学，2008.

［5］范彦铭.飞行综合控制系统［M］.北京:航空工业出版社，2007:25－37.

Design and Implementation of the Flight－control System of a Target Drone

WANG Dongming
(Shanghai Aircraft Design and Research Institute，Shanghai，201210，China)

It brings forward fight－control computer scheme based on DSP and FPGA.The fight－control system is a typical control system，which is based on a fight－ control computer as the core unit，cooperating with the assist of other accessories，such as a GPS receiver，a vertical gyroscope and four electric steering engines.A digital radio is used to transmit data between the target drone and the ground station.The paper shows a new target drone with low cost drone fight－control system.

Target Drone;Flight－control;DSP;FPGA

V249.1

B

2095－509X(2013)11－0076－03

10.3969/j.issn.2095－509X.2013.11.019

2013－06－04

王冬明(1986—)，男，河北遵化人，上海飞机设计研究院助理工程师，主要从事民用飞机飞行控制系统设计。