無(wú)人機(jī)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于警力、城市管理、農(nóng)業(yè)、地質(zhì)、氣象、電力等領(lǐng)域,無(wú)人機(jī)的飛控系統(tǒng)、云臺(tái)、圖像傳輸系統(tǒng)都是關(guān)鍵部分。無(wú)人機(jī)飛控系統(tǒng)作為其“大腦”具體的作用是什么?由哪些部分組成?在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該注意哪些問(wèn)題?
無(wú)人機(jī)飛控的作用
無(wú)人機(jī)飛行控制系統(tǒng)是指能夠穩(wěn)定無(wú)人機(jī)飛行姿態(tài),并能控制無(wú)人機(jī)自主或半自主飛行的控制系統(tǒng),是無(wú)人機(jī)的大腦,也是區(qū)別于航模的最主要標(biāo)志,簡(jiǎn)稱(chēng)飛控。
固定翼無(wú)人機(jī)飛行的控制通常包括方向、副翼、升降、油門(mén)、襟翼等控制舵面,通過(guò)舵機(jī)改變飛機(jī)的翼面,產(chǎn)生相應(yīng)的扭矩,控制飛機(jī)轉(zhuǎn)彎、爬升、俯沖、橫滾等動(dòng)作。不過(guò)隨著智能化的發(fā)展,無(wú)人機(jī)已經(jīng)涌現(xiàn)出四軸、六軸、單軸、矢量控制等多種形式。
傳統(tǒng)直升機(jī)形式的無(wú)人機(jī)通過(guò)控制直升機(jī)的傾斜盤(pán)、油門(mén)、尾舵等,控制飛機(jī)轉(zhuǎn)彎、爬升、俯沖、橫滾等動(dòng)作。多軸形式的無(wú)人機(jī)一般通過(guò)控制各軸槳葉的轉(zhuǎn)速來(lái)控制無(wú)人機(jī)的姿態(tài),以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)彎、爬升、俯沖、橫滾等動(dòng)作。飛控的作用就是通過(guò)飛控板上的陀螺儀對(duì)無(wú)人機(jī)進(jìn)行控制,具體來(lái)說(shuō),要對(duì)四軸飛行狀態(tài)進(jìn)行快速調(diào)整,如發(fā)現(xiàn)右邊力量大,向左傾斜,那么就減弱右邊電流輸出,電機(jī)變慢、升力變小,自然就不再向左傾斜。如果沒(méi)有飛控系統(tǒng),四軸飛行器就會(huì)因?yàn)榘惭b、外界干擾、零件之間的不一致等原因形成飛行力量不平衡,后果就是左右、上下地胡亂翻滾,根本無(wú)法飛行。
無(wú)人機(jī)飛控的工作過(guò)程
飛控系統(tǒng)實(shí)時(shí)采集各傳感器測(cè)量的飛行狀態(tài)數(shù)據(jù)、接收無(wú)線電測(cè)控終端傳輸?shù)挠傻孛鏈y(cè)控站上行信道送來(lái)的控制命令及數(shù)據(jù),經(jīng)計(jì)算處理,輸出控制指令給執(zhí)行機(jī)構(gòu),實(shí)現(xiàn)對(duì)無(wú)人機(jī)中各種飛行模態(tài)的控制和對(duì)任務(wù)設(shè)備的管理與控制;同時(shí)將無(wú)人機(jī)的狀態(tài)數(shù)據(jù)及發(fā)動(dòng)機(jī)、機(jī)載電源系統(tǒng)、任務(wù)設(shè)備的工作狀態(tài)參數(shù)實(shí)時(shí)傳送給機(jī)載無(wú)線電數(shù)據(jù)終端,經(jīng)無(wú)線電下行信道發(fā)送回地面測(cè)控站。
飛控系統(tǒng)組成模塊
按照功能劃分,該飛控系統(tǒng)的硬件包括:主控制模塊、信號(hào)調(diào)理及接口模塊、數(shù)據(jù)采集模塊以及舵機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊等。
具體的硬件構(gòu)成原理如圖1所示。
模塊功能
各個(gè)功能模塊組合在一起,構(gòu)成飛行控制系統(tǒng)的核心,而主控制模塊是飛控系統(tǒng)核心,它與信號(hào)調(diào)理模塊、接口模塊和舵機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊相組合,在只需要修改軟件和簡(jiǎn)單改動(dòng)外圍電路的基礎(chǔ)上可以滿足一系列小型無(wú)人機(jī)的飛行控制和飛行管理功能要求,從而實(shí)現(xiàn)一次開(kāi)發(fā),多型號(hào)使用,降低系統(tǒng)開(kāi)發(fā)成本的目的。
系統(tǒng)主要完成如下功能:
(1)完成多路模擬信號(hào)的高精度采集,包括陀螺信號(hào)、航向信號(hào)、舵偏角信號(hào)、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、缸溫信號(hào)、動(dòng)靜壓傳感器信號(hào)、電源電壓信號(hào)等。
由于CPU自帶A/D的精度和通道數(shù)有限,所以使用了另外的數(shù)據(jù)采集電路,其片選和控制信號(hào)是通過(guò)EPLD中譯碼電路產(chǎn)生的。
(2)輸出開(kāi)關(guān)量信號(hào)、模擬信號(hào)和PWM脈沖信號(hào)等能適應(yīng)不同執(zhí)行機(jī)構(gòu)(如方向舵機(jī)、副翼舵機(jī)、升降舵機(jī)、氣道和風(fēng)門(mén)舵機(jī)等)的控制要求。
(3)利用多個(gè)通信信道,分別實(shí)現(xiàn)與機(jī)載數(shù)據(jù)終端、GPS信號(hào)、數(shù)字量傳感器以及相關(guān)任務(wù)設(shè)備的通信。由于CPU自身的SCI通道配置的串口不能滿足系統(tǒng)要求,設(shè)計(jì)中使用多串口擴(kuò)展芯片28C94來(lái)擴(kuò)展8個(gè)串口。
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