某型高速無人靶機飛行控制的設計與實現

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(南京航空航天大學自動化學院，江蘇 南京 210016)

0 引言

無人機是一種不搭載人員，通過無線遙控或者程序可以實現自主飛行、遠程控制的飛行器。隨著科技的不斷進步和社會需求的不斷提高，無人機的性能也得到不斷提升，進而廣泛應用于軍事和民事領域，如軍用無人機用于信息對抗、通信中繼等，民用無人機用于航拍攝影、環境監測等[1]。靶機屬于軍用無人機的一種，在軍事演習或軍用武器試射時，利用預設好的飛行路徑或者處于遙控模式下，模擬敵方的飛行器或導彈，為地空、空空導彈或火炮提供動態目標與射擊的機會[2]。高速無人靶機模仿高速移動目標，越來越滿足當前軍事演習或軍用武器試射的需要。

在設計和使用高速靶機的過程中，對靶機飛行控制系統進行半物理仿真來實時模擬飛行過程，是一個不可或缺的試驗步驟[3]。本次半物理仿真試驗是利用仿真計算機接入飛控系統中的部分實物部件，實時模擬靶機從起飛到傘降整個飛行過程，不僅可以有效地驗證系統的控制律，還能檢測并排除在實際飛行中可能出現的故障。因此，靶機的飛行仿真試驗在設計和使用高速靶機的過程中發揮著至關重要的作用。

1 飛行控制系統整體結構設計及各模塊功能

無人靶機飛控系統實現了靶機從準備起飛到傘降著陸整個過程的飛行控制。在機載通信設備與地面通信設備成功匹配連接后，機載飛控系統把飛行狀態參數，以及機載電源系統、發動機系統等工作狀態參數，通過數據電臺下傳至地面測控站進行實時顯示和監控，方便靶機操縱人員實時掌控機載設備和航電設備的各種信息和飛行狀態，從而下達正確的靶機控制指令，保證靶機能夠安全穩定飛行和順利完成靶事任務[4]。

如圖1所示，無人高速靶機的飛控系統主要由地面測控部分和機載飛控部分構成。機載飛控部分通過采集飛行狀態參數如俯仰角、滾轉角和航向角等來控制飛行姿態，從而保持靶機可以高速穩定飛行；地面測控部分主要完成對下傳數據的解析處理，發送控制指令以及航跡規劃等。其中，機載飛控部分是整個飛控系統的核心，下文中所提及的飛控系統均指的是機載飛行控制系統。

靶機飛控系統主要由控制器、機載傳感器和執行機構(舵機)3部分組成?？刂破靼ㄖ醒胩幚韱卧?、信號輸出單元等，用以采集、處理信息；機載傳感器主要有GPS、高度傳感器和陀螺儀等。按照上述分析，從而得到靶機飛行控制系統整體結構設計如圖2所示。

圖2 靶機飛行控制系統整體結構設計

如圖2所示，以TMS320F28335控制器為核心，搭載機載傳感器，包括雙GPS、角速率陀螺儀、垂直陀螺儀、磁航向陀螺儀、速度傳感器和氣壓高度表等，與執行機構(舵機)共同構成靶機的飛行控制系統，從而實現無人靶機飛行姿態、航向和高度的穩定。

控制器是機載飛控系統的核心，因此必須具備強大的數據處理能力，同時也要有豐富的外圍接口，本次設計的控制器采用TMS320F28335處理芯片。

TMS320F28335是TI公司推出的32位浮點DSP，具有150 MHz的高速處理能力，6個DMA通道，18路PWM輸出，其中有12路16通道ADC，6路為TI特有的HRPWM，具有低成本、低功耗、外圍接口豐富、高集成度和高性能等特點。因此，它具有強大的數字信號處理能力，廣泛應用于處理速度和精度要求較高的領域[5]。

無人靶機的飛行控制系統的硬件采用模塊化的設計方案，根據各模塊在飛控系統中發揮的作用可以將飛控系統劃分為以下幾部分：主控制器、電源供電模塊、電源變換模塊、信號調理模塊、開關量輸入輸出模塊、數據通信模塊、發動機控制模塊和靶機組合導航模塊等。其中，主控制器是飛控系統中最為核心的部分，控制器的好壞直接影響到靶機飛行性能的好壞[6]。

機載傳感器模塊可以實時采集當前靶機飛行狀態信息，其性能好壞會影響到地面靶機操縱人員的指令決斷。機載電臺數據傳輸距離也將影響實驗效果。本次高速無人靶機設計所選擇的機載傳感器和數字電臺如下：陀螺儀采用L3G4200D三軸數字陀螺儀，用來測量并輸出無人靶機的三維角速度；氣壓高度表選擇BMP085數字式氣壓傳感器，能應用在無人靶機飛控系統中，測得實時溫度、氣壓；GPS可以實時輸出靶機當前經度、緯度、海拔高度、飛行速度、高度變化率(升降率)和可接收到的衛星數等信息；采用GE MDS系列數字電臺，可以實現無人靶機與地面測控臺的雙向長距離數據傳遞。

地面測控系統中綜顯計算機主要用來顯示靶機下傳狀態信息和數據，而核心部分測控計算機為重要的人機交互界面[7]。有時，地面靶機操縱人員為提高效率，將綜顯計算機和測控計算機合二為一，在同一交互界面既可以實時地監控靶機飛行的狀態，也可以通過操縱桿、油門桿、指令按鈕對飛機發送控制指令進行人在回路控制。

2 飛行控制系統的控制規律及軟件設計

2.1 飛行控制系統的控制規律

此次高速無人靶機飛行控制系統主要運用經典控制理論中的PID控制算法。飛控計算機接收到機載傳感器下傳的測量數據后，實時地進行信號處理、姿態解算并輸出相應的控制信號?？刂戚敵龅男盘?，實時在線反饋到輸入端，與預期的值相比較，不斷糾正偏差，從而可以有效地在線修正無人靶機的飛行姿態，使其可以按照預定的飛行航線實現自動飛行[8]。

如圖3所示，Ψ為航偏角，d為航偏距。靶機在理想飛行狀態下，由航點K飛至航點K+1過程中，航偏角Ψ與航偏距d均為0，而在實際飛行中，由于風擾或者靶機自身因素，會出現偏航現象。為使得航偏角Ψ趨近于0且航偏距d趨向航偏距dα，這里需引入控制律進行飛行姿態的修正。dα為該型靶機飛行控制程序中的既定航偏距，是靶機貼近航線飛行時所容許的最小航偏距(即偏航距在dα內默認為壓航線飛行)。

圖3 靶機飛行航線圖

如圖4所示，根據機載傳感器下傳的實際飛行航跡與無人靶機的預定航跡進行對比，能夠求出靶機在實際飛行中的航偏距、航偏角等信號，將其作為輸入信號，依據飛行控制系統中的PID控制規律得到相應的輸出信號。本次設計中，通過限幅環節將靶機滾轉角輸出限定為-16～16°之間，用以修正靶機飛行姿態。

圖4 PID控制律

2.2 飛行控制系統的軟件設計

本次設計飛行控制系統軟件使用DSP配套Code Composer Studio(CCS)開發平臺進行編寫，采用中斷通信方式。同時在理解TMS320F28335硬件結構的基礎上，進行靶機飛控系統的軟件設計。

DSP 芯片軟件程序采用了模塊化設計[9]，模塊化的目的是降低飛控程序的復雜度，使程序在設計、調試和維護過程中操作簡單化。其中，主要有系統初始化模塊、管理決策模塊、輸入輸出子系統模塊、數據通信模塊和故障監測與診斷模塊。TMS320F28335芯片采用定時中斷模式，在中斷服務程序中執行功能模塊化的任務。

3 配套地面測控程序的開發與應用

高速無人靶機地面測控是整個無人靶機系統中不可或缺的組成部分，是地面靶機操縱人員與靶機交互的渠道。一個完整的地面測控程序擁有包括航跡規劃、實時監測、通信連接、指令操控等集通信、控制和數據處理于一身的綜合能力，是整個高速無人靶機系統的地面指揮控制中心[10]。

本次設計的高速無人靶機地面測控臺主要由1臺集測控與綜顯于一體的計算機、1個地面操縱面板(DSP操縱臺)和1個數字電臺組成。其中，綜顯、測控計算機主要用來實時監測并顯示靶機當前的各種飛行參數；地面操縱面板(DSP操縱臺)由油門桿和指令按鈕組成，用以控制指令的發送；電臺采用GE MDS系列長距離傳輸數字電臺，用以保障靶機參數與地面指令的穩定傳輸。

本次地面測控程序的開發基于VC++6.0下的MFC開發平臺，利用NI Measurement Studio AppWizard控件，開發一套高速無人靶機的地面測控程序，用以本次設計的無人靶機的半物理仿真試驗。

創建友好的人機交互界面是開發地面測控站的關鍵所在。如圖5所示，地面測控臺由數據監測模塊、航跡規劃模塊和指令控制模塊組成。數據監測模塊可以實時顯示高速無人靶機地飛行參數和機載設備狀態，地面靶機操縱人員主要關注飛行過程中俯仰角、滾轉角和航向角變化情況，通過GPS參數欄也可以讀取由機載GPS解算的下傳數據，包括當前經緯度、飛行高度、飛行高度變化率、距離起飛點的東向距離和北向距離等。初始化、GPSA、GPSB、遙控、遙測和開傘指示燈便于靶機操縱人員對靶機進行故障診斷。航跡規劃模塊實時顯示靶機的實際飛行航線。指令控制模塊便于地面操縱人員在線修正靶機的航跡，確保其順利完成飛行任務。

圖5 高速無人靶機地面測控臺

4 高速無人靶機的半物理仿真試驗

此次高速無人靶機試驗已在半物理仿真平臺[11]上實現。首先使用仿真計算機來模擬飛行的狀態，將仿真數據如俯仰角、滾轉角、實時速度等靶機飛行時的參數信息通過電臺發送給飛控系統，飛控系統反饋當前舵面信息給仿真計算機，然后數據發送給測控計算機，由測控計算機實時顯示飛行數據并記錄下來。

靶機仿真航跡如圖6所示。靶機在預定飛行航線上進行自主飛行，從仿真航跡圖可以看出轉彎半徑約為0.7 km，以飛機起飛點作為坐標原點，在靶機巡航1周后進入返航狀態，并在預定的返航點進行傘降著陸操作。

如圖7所示，靶機彈射起飛進入航線，待靶機速度降至65 m/s時增大發動機轉速，靶機速度得以爬升，穩定后飛行速度約為98 m/s。巡航1周后，靶機收到傘降著陸指令，進行開傘操作，速度突變減小。

如圖8所示，高速靶機彈射起飛后高度不斷爬升，隨即進入預定飛行高度260 m。定高巡航1周后，靶機進行傘降著陸，其高度發生突變減小。

圖6 靶機仿真航跡

圖7 靶機仿真飛行速度

圖8 靶機仿真飛行高度

如圖9所示，靶機彈射起飛時升降率瞬時值很大，但隨著高度不斷穩定爬升，升降率逐漸減小。當靶機進入預定飛行高度260 m，升降率即趨于0。巡航1周后，靶機傘降著陸，升降率突變減小。

從整個仿真飛行過程可以看出，高速無人靶機在飛直線段和轉彎段時偏航距都比較小，能夠很好地按照預定航線飛行，滿足軍事打靶的要求。

圖9 靶機仿真飛行升降率

5 結束語

根據高速無人靶機的設計要求，提出了飛行控制系統的整體設計思路，采用了TMS320F28335芯片為主控制器來進行飛控系統的設計，介紹了飛行控制系統的控制律和軟件開發過程，同時開發了配套的高速無人靶機地面測控站，最后通過地面半物理仿真試驗驗證了本次設計。試驗的結果表明，該飛行控制系統可以穩定運行，各種飛行參數均符合設計要求，能夠完成高速無人靶機的飛行任務。

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