飞行器智能拉烟器结构设计及控制方法研究

雷安旭，黄 晶

（江汉大学 人工智能学院，湖北 武汉 430056）

0 引言

拉烟器是飞机飞行表演时用来显示飞行轨迹的一种机载外挂装置，主要由化学试剂产生彩色烟雾，电磁阀门［1］及导气管控制烟雾喷射，烟雾可在大气中维持一定时间，在高速飞行的飞行器上加载这种装置，便于观众观察飞行轨迹，提高飞行表演的观赏性［2］。

通过对现有拉烟器的调研发现，现有技术关于拉烟器的研究主要存在两个方面的不足：一是针对旋翼机［3-4］（包括无人机和有人机），现有技术并没有很好解决外挂拉烟设备的设计；二是目前拉烟器拉烟方式单一，且主要用于固定翼有人机的飞行表演，针对固定翼无人机、旋翼机的拉烟器设计研究较少［5-7］。

本文针对以上问题设计了一种拉烟器的自动控制器，具体包括拉烟器装置结构设计和控制器设计。装置结构设计为各类飞行器如何加装拉烟器提供了详细的参考方案；控制器设计实现了包括无人机在内的各类飞行器自动拉烟，并可进一步感知外界环境进行智能拉烟，增强了拉烟效果。

1 拉烟器装置结构设计

1.1 拉烟器基本结构

智能拉烟器主要由导气装置、开关装置、生烟装置、控制装置和固定装置组成。智能拉烟器的整体示意图如图1 所示。导气装置引导气体进入或排出系统，包括进风增压管口、进气管、出气管和出气管口；开关装置控制导气装置和生烟装置的开闭，包括总开关、生烟开关和排气开关；生烟装置用于产生烟雾，包括生烟容器和高压容器；控制装置通过导线与开关装置连接，包括控制电路板和电池，基于相关程序控制拉烟效果；固定装置用于整个系统的固定安装，包括安装板、支架、魔术贴和安装支架。

1.2 固定翼飞行器的安装方式

对于固定翼飞行器，无论其是否为有人驾驶，都可以在现有飞行器的基础上进行智能拉烟器的加装。

当固定翼飞行器为喷气式时，进风增压管口安装于飞机进气道附近；当固定翼飞行器为螺旋桨式时，进风增压管口安装于螺旋桨后进风处，从而在不影响飞机气动外形的前提下引入空气；开关装置安装于导气装置和生烟装置中部控制导气装置和开关装置的开闭；生烟装置安装于进气管和出气管之间，用于产生烟雾；控制装置通过固定装置固定安装于生烟装置上方，通过导线与开关装置连接，通过相关程序控制拉烟效果，固定装置安装于控制装置与生烟装置之间。具体安装方式见图2。

1.3 旋翼飞行器的安装方式

旋翼飞行器上智能拉烟器的加装与固定翼飞行器的加装方式相比，主要改变了导气管的结构。控制装置固定安装在安装板下方，位于飞行器机体正中心；安装板通过魔术贴固定安装在多旋翼飞行器底部；魔术贴环绕多旋翼飞行器机身一圈后两端固定粘贴；进风增压管口安装在各个旋翼正下方，方向朝着旋翼；进气管与进风增压管口连接，安装在各个机架下方，另一端与生烟装置连接；出气管安装在各个进气管的正下方，与进气管之间通过安装支架固定连接；生烟容器固定安装在控制装置下方；开关装置安装在进气管、出气管和生烟装置中部。具体安装方式见图3，将安装板上魔术贴绕旋翼飞行器机身一圈后两端固定粘贴即可，气体从进风增压管口进入，在生烟装置与生烟化学制剂发生反应产生烟雾，通过出气管和出气管口排出形成拉烟效果。

图3 旋翼飞行器的安装方式Fig.3 Installation method of rotorcraft

2 自动拉烟控制器设计

为了实现智能拉烟，对智能拉烟器的控制装置进行了自动化设计［8-9］，在STM32F103C8T6 最小系统板的基础上增加了矩阵键盘电路、OLED 显示电路、电源转换电路和电磁阀驱动电路［10-11］。

智能拉烟控制器的控制电路板主要包括4 个模块，分别是主控电路、显示电路、电源转换电路和电磁阀驱动电路。电路原理图如图4 所示，其中最中间的部分为主控芯片STM32F103C8T6，左上角为电磁阀驱动电路。

图4 控制电路原理图Fig.4 The schematic diagram of the control circuit

飞行器起飞前用户通过输入电路来进行拉烟设置，第一步设置拉烟模式，包括手动拉烟、自动拉烟和智能拉烟3种，若选择手动拉烟模式，则飞行器在飞行过程中由用户通过按键进行手动控制拉烟；若选择自动拉烟模式，则进一步设置自动拉烟的初始设置，包括拉烟方式等，待飞行器飞行到预设高度、速度时开始执行自动拉烟程序；若选择智能拉烟模式，则用户首先进入阈值设置程序，进而进入自动拉烟初始设置，当飞行器飞行过程中满足了相关阈值条件，则拉烟控制器进入自动拉烟模式。具体程序流程图如图5 所示。

图5 程序流程图Fig.5 Program flow chart

2.1 手动拉烟模式设计

如图5 所示，用户选择手动拉烟方式后，用户通过输入电路手动控制飞行器拉烟，当需要左侧拉烟时，按下对应的按键1；当需要右侧拉烟时，按下对应的按键2。

2.2 自动拉烟模式设计

如图5 所示，当用户选择自动拉烟方式后，系统进入自动拉烟模式设置。用户可分别通过输入电路设置左右交替拉烟、左右同时连续拉烟和左右同时断续拉烟时间，以拉烟时间设置10 s 为例，左右交替拉烟指的是第一秒左侧拉烟右侧不拉烟，第二秒右侧拉烟左侧不拉烟，之后的第三秒到第十秒以此类推；左右同时连续拉烟指的是第一秒到第十秒左侧右侧同时拉烟；左右同时断续拉烟指的是第一秒左侧右侧同时拉烟，第二秒左侧右侧同时不拉烟，之后第三秒到第十秒以此类推。

以上设置在飞行器起飞前完成，当飞行器达到预设拉烟高度及飞行速度后，开始自动按照预设的方式进行拉烟表演。

2.3 智能拉烟模式设计

如图5 所示，用户选择智能拉烟模式后，系统进入智能拉烟模式设置。用户通过键盘输入升降舵偏转角阈值δe、方向舵偏转角阈值δr、油门杆操纵量阈值δT、副翼偏转角（左）阈值δαl、副翼偏转角（右）阈值δαr来自行设定拉烟触发条件。飞行器飞行过程中通过传感器检测相关参数，当实时参数达到设定阈值时，认定满足该拉烟条件，程序进入自动拉烟环节。按照如2.2 所述的自动模式进行拉烟。

本文利用升降舵偏转角阈值δe来检测飞行器大角度爬升动作，利用升降舵偏转角阈值δe和油门杆操纵量阈值δT来检测飞行器的眼镜蛇机动，利用副翼偏转角（左）阈值δαl和副翼偏转角（右）阈值δαr来检测飞行器翻滚机动，利用副翼偏转角（左）阈值δαl和方向舵偏转角阈值δr来检测飞行器空中调头动作。飞行器起飞后，检测这些参数变量升降舵偏转角e、方向舵偏转角r、油门杆操纵量T、副翼偏转角（左）αl、副翼偏转角（右）αr，当检测到的信号达到开始拉烟相应的阈值时，飞行器开始拉烟，当检测到的信号达到结束拉烟的阈值时，飞行器关闭拉烟。其中飞行器动作和参数变量之间的关系如表1 所示。

表1 飞行器动作与参数变量关系Tab.1 The relationship between aircraft actions and parameter variables

总的说来，通过智能拉烟模式，飞行器在起飞后可以按照实时的自身姿态判断是否进行拉烟以及何时停止拉烟。这些阈值是可以根据不同飞行器的起动特性进行独立设置，即该方法可以适应不同气动布局的飞行器。

3 半物理仿真实验验证

按照控制电路原理图制作自动拉烟控制器控制电路板，将相应程序烧录到单片机中，对自动拉烟控制器进行半物理仿真实验验证，模拟飞行器飞行时外界条件，通过观察电磁阀开关对应端口的波形得到智能拉烟器是否拉烟的实验结果，其中波形信号“1”表示电磁阀打开，烟雾从出气管排出，智能拉烟器拉烟，波形信号“0”表示电磁阀关闭，烟雾无法从出气管排出，智能拉烟器停止拉烟。

主程序如下所述。

通过添加OLED 屏幕显示程序、按键驱动程序、电磁阀驱动程序等子函数，运行上述主函数，可以进行半物理仿真。系统设计完成后，通过控制电路实物图以及执行时相应端口的波形图来进行验证，以下分别对手动拉烟模式、自动拉烟模式以及智能拉烟模式进行验证。

3.1 手动拉烟模式验证

手动模式验证结果如图6 和图7 所示。用户选择手动模式后，显示电路显示“manual mode”，通过按键1 和按键2 分别控制电磁阀1 和电磁阀2 的开闭从而实现飞机左侧拉烟和右侧拉烟，按下按键1 后，控制电路控制电磁阀1 开500 ms，按下按键2，控制电路控制电磁阀2 开500 ms，其中波形中信号1 表示电磁阀处于开状态。

图6 手动模式验证实物图Fig.6 The physical map of verification in manual mode

图7 手动模式验证波形Fig.7 The verification waveform in manual mode

3.2 自动拉烟模式验证

自动拉烟模式验证结果如图8 和图9 所示。用户选择自动模式后，显示模块显示“automatic mode”，通过输入电路设置左右交替拉烟、左右同时连续拉烟和左右同时断续拉烟时间，通过显示模块显示设置的时间。图8 为左右交替拉烟时间为250 ms，左右同时连续拉烟时间为430 ms，左右同时断续拉烟时间为250 ms 的情况。图9 为该情况执行时的对应端口的波形图，当GPS 信号为1 即飞机到达指定高度时，开始按顺序执行左右交替拉烟、左右同时连续拉烟和左右同时断续拉烟，其中当信号为1 时表明该方式正在执行。

图8 自动模式验证实物图Fig.8 The physical map of verification in automatic mode

图9 自动模式验证波形Fig.9 The verification waveform in automatic mode

3.3 智能拉烟模式验证

智能拉烟模式验证结果如图10 和图11 所示，用户选择智能模式后，显示模块显示“Intelligent mode”，通过输入电路设置升降舵偏转角δe、方向舵偏转角δr、油门杆操纵量δT、副翼偏转角（左）δαl、副翼偏转角（右）δαr的阈值，通过显示模块显示设置的时间。图10 为设置升降舵偏转角δe= 89，方向舵偏转角δr= 89，油门杆操纵量δT= 20，副翼偏转角（左）δαl= 30，副翼偏转角（右）δαr= 30。当升降舵偏转角、油门杆操纵量达到开始拉烟的阈值时，眼镜蛇机动信号为1，飞机开始拉烟，当达到结束拉烟的阈值时，眼镜蛇机动信号为0，飞机停止拉烟，当副翼偏转角（左）、副翼偏转角（右）达到开始拉烟的阈值时，翻滚机动信号为1，飞机开始拉烟，当达到结束拉烟的阈值时，翻滚信号为0，飞机停止拉烟，结果如图11 所示。

图10 智能拉烟模式验证实物图Fig.10 The physical map of verification in intelligent mode

图11 智能拉烟模式验证波形Fig.11 The verification waveform in intelligent mode

对手动拉烟模式、自动拉烟模式和智能拉烟模式分别进行半物理仿真实验验证后，结合控制电路实物图以及执行时相应端口的波形图，验证了飞行器智能拉烟器可由用户设置拉烟方式和拉烟效果，通过飞行器感知外界条件并自动拉烟，即上文对自动拉烟控制器的设计可行。

4 结语

本文设计了一种智能拉烟器，相较于目前现有的拉烟器，有两个方面的优势。一是目前现有技术的拉烟器基本均用于固定翼有人机，旋翼机的相关研究特别少；本文通过设计一种软管式利用进气出气气压差驱动的装置结构，并利用相关安装板，使旋翼机加装拉烟器的可行性增加。二是通过对拉烟控制器的设计研究，实现了自动和智能两种拉烟模式，使得拉烟器使用场景由有人机的人工控制变成可用于无人机的自动控制。总的说来，本文扩宽了现有拉烟器的使用范围，按照本文思路，无论飞行器是否有人，且无论飞行器是旋翼还是固定翼，都可以加装本文设计的智能拉烟器，实现多种方式的拉烟表演。

但是，本文的研究并没有对电磁阀开关实物进行检测，且烟雾的化学制备过程还停留在理论研究，未进行实验仿真，后续将对电磁阀驱动电路进行进一步的研究，且准备按比例做出单通道的拉烟器，实物调试拉烟效果。