一種可變形飛行器的無(wú)人機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)

由于天空和大地之間的溫差，它們的紅外輻射波長(zhǎng)有差別。系統(tǒng)采用的紅外傳感器對(duì)8～15μm波段的紅外輻射敏感，這正是天空和大地的一般熱輻射波長(zhǎng)，因此傳感器不會(huì)被過(guò)熱(如太陽(yáng))或過(guò)低溫度的物體影響。由一對(duì)熱電堆產(chǎn)生的反向電壓經(jīng)過(guò)放大器放大，再經(jīng)過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換，即可顯示為代表無(wú)人機(jī)某一方向姿態(tài)角的數(shù)值。
一般采用三對(duì)紅外傳感器。其中垂直方向傳感器的作用是初始化天空與大地的溫差，以確定水平方向傳感器的計(jì)算比例。水平方向則有橫向和徑向兩對(duì)傳感器，分別計(jì)算滾轉(zhuǎn)和俯仰角度。
3．3 GPS
全球定位系統(tǒng)GPS采用LEA-5H，它的體積小、性能好，位置更新頻率為4Hz。LEA-5H與系統(tǒng)串行接口相連，獲取無(wú)人機(jī)的飛行速度、高度、經(jīng)緯度等信息實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)導(dǎo)航控制。
3．4 調(diào)制解調(diào)器
調(diào)制解調(diào)器采用Digi的XBee模塊，XBee的雙向鏈路給飛行中的調(diào)整、導(dǎo)航指令傳輸和飛行狀態(tài)反饋提供通道。XBee的射程達(dá)到40km，所有型號(hào)的引腳兼容，和天線一起重量約為2g。
3．5 遙控模塊
遙控模塊包括遙控指令發(fā)送機(jī)和接受機(jī)。遙控指令發(fā)送機(jī)采用Spektrum DX-7，接收機(jī)采用FutabaFASST 7-channel接收機(jī)。發(fā)送機(jī)發(fā)送遙控指令，接收機(jī)接收遙控指令，并將指令傳送給系統(tǒng)芯片。

4 軟件
軟件架構(gòu)采用基于UML語(yǔ)言的仿真軟件。UML可以對(duì)任何具有靜態(tài)結(jié)構(gòu)和動(dòng)態(tài)行為的系統(tǒng)進(jìn)行建模， 能夠應(yīng)用于軟件系統(tǒng)開(kāi)發(fā)從需求分析到軟件測(cè)試的各個(gè)階段，適用范圍極廣。
4．1 飛行仿真配置
飛行器在實(shí)際飛行前需要驗(yàn)證飛行算法，對(duì)飛行仿真進(jìn)行相應(yīng)的配置，如圖6所示，主要分為四大部分：飛行器基本參數(shù)、初始狀態(tài)參數(shù)、初始控制參數(shù)、模型與仿真選項(xiàng)。

4．2 飛行仿真平臺(tái)
飛行仿真平臺(tái)實(shí)時(shí)觀測(cè)飛行器的位置、俯仰角、滾轉(zhuǎn)角、偏航角等信息。平臺(tái)負(fù)責(zé)飛行中對(duì)無(wú)人機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制和監(jiān)測(cè)。

5 控制規(guī)律選擇與設(shè)計(jì)
工程實(shí)際中PID控制器應(yīng)用最為廣泛，本設(shè)計(jì)采用PID控制器。
5．1 俯仰姿態(tài)控制回路
俯仰姿態(tài)控制回路保證飛行器俯仰角在擾動(dòng)后能以一定的性能保持或者穩(wěn)定到給定值。該控制回路由俯仰角反饋回路和俯仰角速率反饋回路構(gòu)成。

5．2 滾轉(zhuǎn)角控制回路
滾轉(zhuǎn)角控制回路的主要作用是當(dāng)飛行器飛行過(guò)程中受到外力時(shí)，能夠使飛行器保持固有的滾轉(zhuǎn)角的控制，飛行器改變方向時(shí)也需要滾轉(zhuǎn)角控制回路的輔助配合。