一種可變形飛行器的無人機控制系統(tǒng)設計與實驗

摘要：飛控系統(tǒng)是無人機的核心，無人機的外部架構對其性能的影響也很重要。為了提高無人機系統(tǒng)性能，給出一種無人機控制系統(tǒng)設計并進行了實驗。文章在介紹變形飛行器和飛控系統(tǒng)功能要求的基礎上，給出了基于芯片LPC2148的硬件設計，介紹了各個硬件部分的功能、軟件架構和控制規(guī)律的選擇與設計，詳細介紹了實驗的準備工作和實際飛行情況，給出了軟件調(diào)試流程圖，分析了調(diào)試結(jié)果。經(jīng)過多次飛行試驗，表明系統(tǒng)的設計是適合實驗中的可變形飛行器的，并且合理可靠，能夠完成預期的飛行任務，具有較好的實用性。
關鍵詞：變形飛行器；飛控系統(tǒng)；無人機；地面控制站；實驗

0 引言
無人駕駛飛行器簡稱無人機(UAV)，是一種由動力驅(qū)動、無人駕駛和可重復使用的航空器。無人機因其成本低、效率好、應用靈活、危險系數(shù)小等優(yōu)點而廣泛應用于偵查、目標指示、生化武器探測、電子干擾、航空攝影、水災監(jiān)視等軍事和民用領域。
隨著國家現(xiàn)代化和國防事業(yè)的發(fā)展，單一飛行模式的飛行器(運輸機、戰(zhàn)斗機、旋翼機、火箭、導彈、無人機、飛艇、空天往返飛機等)已經(jīng)難以滿足不斷增長的需求。新一代空天飛行器從地面或運載平臺上起飛，可以穿越大氣層飛行，執(zhí)行各種任務使命，其飛行環(huán)境(高度、飛行馬赫數(shù)等)變化很大。固定外形的飛行器很難適應如此廣泛的環(huán)境參數(shù)變化，保持優(yōu)良的性能。為了適應更加寬廣的飛行空域和速度范圍變化，需要發(fā)展一種能隨著外界飛行環(huán)境自適應地改變飛行器外形、始終保持優(yōu)良飛行性能的“智能變形飛行器”。
無人機控制系統(tǒng)的核心部件為機載飛控系統(tǒng)和地面控制站。飛控系統(tǒng)實現(xiàn)對無人機的自主飛行控制；地面控制站實現(xiàn)對無人機遙控，航跡規(guī)劃，改變飛行計劃，通信聯(lián)絡等任務。地面站同時完成接收、處理、發(fā)送信息的任務。

1 飛控系統(tǒng)功能要求
保持無人機按照預定飛行計劃飛行，并且能根據(jù)地面指令及時調(diào)整姿態(tài)和飛行；對擾動具有抗干擾性，能及時從擾動中調(diào)整和恢復正常飛行；并且具有較小的體積和重量，保證無人機的飛行效率和足夠的飛行時間。對飛控系統(tǒng)的具體要求為：能完成飛行控制信號輸出，控制升降舵機、方向舵機、發(fā)動機油門舵機和副翼舵機；對當前飛行狀態(tài)信息的采集，包括航向、姿態(tài)、高度、速度；通過串口接受GPS信息；地面控制站和飛控系統(tǒng)通過數(shù)傳電臺進行數(shù)據(jù)傳輸；能夠在遙控飛行和自主飛行間切換。

2 變形飛行器機構和變形控制
飛行控制器根據(jù)飛行任務和飛行條件的要求，確定副翼變形頻率，使變形速度既滿足任務需求，又對飛行產(chǎn)生的不利影響最小，而變形過程中機翼的轉(zhuǎn)動會對飛行器的氣動力產(chǎn)生影響，氣動布局的改變使其穩(wěn)定特性受到影響。所以合理選擇變形飛行器，變形控制算法的設計和布置內(nèi)部硬件顯得尤為重要。
本設計采用的變形飛行器結(jié)構為仿F-14模型，如圖1。

該模型特點如下：一是機翼結(jié)構為后掠角可變，二是全動尾翼結(jié)構，機體橫側(cè)向滾轉(zhuǎn)靈活。

3 機載飛控系統(tǒng)結(jié)構圖總體設計
我們采用開源網(wǎng)站開發(fā)設計的機載飛控系統(tǒng)飛控板，系統(tǒng)設計如圖4所示。

3．1 系統(tǒng)芯片介紹
LPC2148是基于一個支持實時仿真和嵌入式跟蹤的32位ARM7 TDMI-S CPU的微控制器，并帶有32kB和512kB嵌入的高速flash存儲器。該芯片可以配置GPS、紅外傳感器等外部設備來達到我們預期的飛行目的。