小型無人靶機掠海定高飛行控制系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

0 引 言
靶機是無人機家族中的一個重要分支，主要用于模擬作戰(zhàn)飛機、導(dǎo)彈等威脅目標(biāo)，為防空武器系統(tǒng)試驗和訓(xùn)練提供逼真的空中靶標(biāo)。隨著技術(shù)的進(jìn)步，現(xiàn)代反艦導(dǎo)彈多采取“超低空掠?！?a class="contentlabel" href="http://www.ex-cimer.com/news/listbylabel/label/飛行">飛行的突防方式，與之相應(yīng)的用于模擬反艦導(dǎo)彈類目標(biāo)的無人靶機也需要具有超低空掠海飛行能力。20世紀(jì)60年代，以美國為代表的西方發(fā)達(dá)國家推出了第一代具有超低空掠海定高飛行能力的靶機，之后迅速形成了系列化，并隨著新技術(shù)的應(yīng)用不斷升級換代，某些經(jīng)典型號至今仍在廣泛使用，如石雞、火蜂、米拉奇等系列靶機，其掠海飛行的相對高度均達(dá)到了5 m以下。國內(nèi)在這一領(lǐng)域則起步較晚。飛行控制系統(tǒng)是無人機的“大腦”，無人機的超低空掠海飛行主要是在飛控系統(tǒng)高度控制器的控制下實現(xiàn)的。因此，本文針對小型靶機飛控系統(tǒng)的研制，基于無線電高度表／加速度計組合控制的基本原理，采用Kalman濾波信號處理方法和基于ARM7微處理器的嵌入式系統(tǒng)，設(shè)計了一種簡單實用的高度控制器，能夠?qū)Π袡C飛行高度進(jìn)行精確控制，從而實現(xiàn)超低空掠海定高飛行的目的。

1 飛控系統(tǒng)配置與高度控制原理
靶機飛控系統(tǒng)由傳感器、飛控計算機和執(zhí)行機構(gòu)3個部分組成。傳感器主要包括垂直陀螺、兩軸角速率陀螺、三軸捷聯(lián)式磁航向傳感器、無線電高度表、垂向加速度計、空速管、GPS接收機、發(fā)動機溫度和轉(zhuǎn)速傳感器等；飛控計算機是飛控系統(tǒng)的核心部件，是一臺基于ARM7的嵌入式計算機，接收來自各傳感器的測量信息，并根據(jù)控制律進(jìn)行解算，給出控制信號驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)動作；執(zhí)行機構(gòu)主要包括升降舵機、副翼舵機、舵回路控制器、發(fā)動機油門電機和ECU控制器。飛控系統(tǒng)組成如圖1所示。

高度控制器主要由內(nèi)、外兩個反饋控制回路構(gòu)成。首先是以垂直陀螺和角速率陀螺測量信號作為反饋控制信號構(gòu)成靶機姿態(tài)控制內(nèi)回路(角運動控制系統(tǒng))，包括橫向、縱向兩個控制通道，是系統(tǒng)的核心控制回路。由于姿態(tài)控制系統(tǒng)在常值干擾力矩(如垂風(fēng))的干擾下存在姿態(tài)角靜差，會導(dǎo)致高度漂移，不能直接應(yīng)用于高度軌跡的穩(wěn)定與控制，因此在高度控制系統(tǒng)中需要直接測量飛機高度和垂向運動速度等線運動信息，使用高度表和線加速度計等傳感器，在姿態(tài)控制系統(tǒng)基礎(chǔ)上建立高度控制外回路，兩者共同構(gòu)成完整的高度控制系統(tǒng)(圖1中陰影部分)。在超低空飛行時要使用高精度的高度傳感器，通常采用無線電高度表。在該系統(tǒng)的實際設(shè)計中，采取了無線電高度表和線加速度計組合控制，即對無線電高度表和垂向線加速度計測量信息進(jìn)行特定算法綜合處理后，得到靶機高度和垂向速度的兩路反饋控制信號，送到縱向姿態(tài)控制通道，形成高度控制外回路，與姿態(tài)控制內(nèi)回路共同完成高度控制功能。