小型無人靶機掠海定高飛行控制系統(tǒng)設計與實現
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3 控制器軟硬件設計與實現
高度控制器是靶機飛控系統(tǒng)的一部分，它以飛控計算機為核心，并與各路傳感器及執(zhí)行結構共同構成閉環(huán)控制系統(tǒng)。主要由飛控計算機、垂直陀螺、角速率陀螺、無線電高度表、加速度計、舵回路控制器、舵機等設備組成。
(1)飛控計算機
飛控計算機包括主機板、A／D轉換板、串行數據通訊接口板、開關量接口板、D／A轉換板、模擬輸入前置處理板、離散輸入／輸出及光電隔離／驅動板、DC／DC電源變換板等。采用基于ARM的嵌入式系統(tǒng)設計，具有體積小，功耗低，硬件資源豐富，易于開發(fā)，實時性和可靠性好等優(yōu)勢。主機板處理器選用ARM7TDMS-S體系結構的32位LPC2124芯片，其16 KB的內部RAM以及128 KB的內部FLASH存儲器，可很好地滿足嵌入式實時操作系統(tǒng)RTOS(μC／OS-Ⅱ)的運行要求，保證系統(tǒng)每20 ms能進行一次高度控制律解算。
(2)垂直陀螺
選用TC-3E型垂直陀螺儀，在高度控制回路中主要用于測量飛機俯仰角姿態(tài)，工作范圍俯仰角為±30°，輸出模擬電壓信號。
(3)角速率陀螺
選用2軸角速率陀螺，在高度控制回路中主要用于測量飛機俯仰姿態(tài)角速度，俯仰角速度輸出范圍為±60°／s，輸出模擬電壓信號。
(4)無線電高度表
采用調頻／連續(xù)波(FM／CW)體制，工作頻率為4 200～4 400 MHz，測高范圍為0～300 m，高度輸出形式為：RS 232串口輸出，波特率為38 400 b／s，更新率為50 Hz。
(5)加速度計
加速度計安裝在靶機的重心位置，用于測量拖靶的垂直方向加速度，選用ADXL105AQC加速度計芯片，精度為±1～±5 g，單通道模擬輸出，分辨率2 mg。
(6)舵回路控制器
基于PWM直流電機驅動器專用集成電路L292設計。包括位置調節(jié)器、電流調節(jié)器、PWM功放、位置反饋和電流反饋傳感器。位置反饋為主反饋回路，采用WDL－25直滑式精密導電塑料電位器；電流反饋采用標準電阻。
(7)升降舵機
采用齒輪減速永磁直流力矩電機，額定轉矩15 Nm，額定轉速(減速后)4±1 r／min。
(8)軟件設計
基于嵌入式實時多任務操作系統(tǒng)μC／OS－Ⅱ下編寫應用程序，具有可移植、裁剪、多任務和基于優(yōu)先級的搶占式任務調度等特點，實時性好，可靠性高。使用實時操作系統(tǒng)(RTOS)是因為可將應用分解成多任務，簡化了應用軟件的設計，同時RTOS使控制系統(tǒng)的實時性得到保證；良好的多任務設計，又有助于提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。本文引用地址：http://www.ex-cimer.com/article/163487.htm
4 半實物仿真實驗與結果
在自行搭建的無人機半實物仿真平臺上，對所開發(fā)的小型無人靶機高度控制系統(tǒng)進行了仿真驗證。飛機模型采用六自由度非線性全量運動方程，基本仿真步長為5 ms，仿真計算精度為64 b(雙精度浮點)。仿真系統(tǒng)包括在三軸轉臺上的垂直陀螺、角速率陀螺，與動靜壓模擬器連接的空速傳感器，而無線電高度表信號、加速度計信號則通過計算機模擬，再接人高度控制計算機、舵機等構成仿真回路。仿真結果如圖4和圖5所示，本文給出了兩種主要干擾條件下的結果。
仿真結果表明，在4級海情產生高度表噪聲影響和加速度計測量誤差影響的情況下，系統(tǒng)能夠控制靶機平穩(wěn)進入14 m定高飛行狀態(tài)，并按精度要求保持在預定高度飛行。在5 m／s垂風干擾下，靶機能夠很快回到預定的14 m基準高度?？梢娤到y(tǒng)靜動態(tài)響應指標能滿足設計要求。
5 結 語
本文基于無線電高度表／加速度計組合控制模式，采用成熟的比例一微分(PD)控制原理，Kalman互補濾波的信號處理方法，以及基于ARM的硬件實現和μC／OS－Ⅱ嵌入式實時操作系統(tǒng)的軟件開發(fā)，設計了小型靶機超低空掠海飛行高度控制器，其結構簡單緊湊，原理可行。半實物仿真實驗結果表明，系統(tǒng)具有良好的靜、動態(tài)響應特性，完全能夠實現對靶機超低空高精度掠海定高飛行的控制，系統(tǒng)設計和軟硬件實現都是成功的。
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