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无人机三维导航飞行设计与验证


· 94· 2013 ,( 3 ) : 94 ~ 97 战术导弹技术 Tactical Missile Technology May, ???????????????????????????????????????????????
[ 1300 ( 2013 ) 03 0094 04 文章编号] 1009 -

无人机三维导航飞行设计与验证

>1 杨晓杰 , 朱 2 2 文 , 桑振夏

( 1. 63893 部队,河南 洛阳 471000 ; 2. 63898 部队,河南 济源 454650 ) [ 摘 要] 为升级改造某旧式无人机装备,提高其自主导航飞行智能化水平,给出了一套无人机三维导航飞行解

决方案。介绍了系统架构设计,阐述了飞控软件设计原理,在平面二维自主导航的基础上,引入垂直方向的自主 导航控制,给出了三维导航控制模型,并基于在研项目工程样机进行了飞行验证 。结果表明,该方案对无人机三 维自主飞行导航控制效果良好,为后续的优化设计研究奠定了基础,为无人机装备升级改造提供了有益参考 。 [ 关键词] 无人机; [ 中图分类号] V279 三维导航; 飞行试验; 设计与验证 [ 文献标识码] A

Design and Verification of Threedimensional Navigation Flight on UAV
Yang Xiaojie1 , Zhu Wen2 , Sang Zhenxia2
( 1. Unit 63893 ,Luoyang Henan 471000 ,China; 2. Unit 63898 ,Jiyuan Henan 454650 ,China)

Abstract: In order to upgrade a certain of old type UAV equipment and raise the level of intelligent aua set of scheme about UAV threedimensional navigation flight is present. The tonomous navigation flight, system frame design and the flightcontrol software design principle are introduced. Based on the two dimensional plane autonomous navigation,autonomous navigation control in the vertical is led in, and the three dimensional navigation model is put forward, and the flight test on the developing project prototype is carried out. The test result indicates that the scheme can do well in UAV three dimensional navigation flight , which lays foundation for the subsequent optimum design, and also presents the favourable reference for upgrading the UAV equipment. Keywords: UAV; threedimensional navigation; flight test; design and verification

1







[2 ]

,该方式对于定高飞行任务具有较好的适用

无人机可以代替有人作战飞机执行高风险的作 战训练任务,如敌情侦察、情报搜集、战术攻击等, 因而备受军方青睐,大批无人机列装部队,现已成 [1 ] 为不可或缺的军事装备 。然而,早期装备的无人 机自主导航功能比较简单,主要集中在二维平面
[ 作者简介] 杨晓杰,工程师. [ 10 24 收稿日期] 2012 -

性,但随着战场环境日益复杂多变以及作战训练任 务的拓展,如低空突防、飞越高地、俯冲攻击等, 二维平面导航已不能满足使用需求 ,还需在二维平 面导航的基础上引入对垂直方向的自主导航控制 , 以实现三维自主导航飞行。部队在采购高性能新机 型的同时,注重对旧装备的升级改造工作。如何基 于现有大量旧装备进行功能拓展升级 ,使之具备三

· 95· 2013 ,( 3 ) 战术导弹技术 Tactical Missile Technology May, ??????????????????????????????????????????????? 维自主导航飞行能力,已成为一项亟待解决的问 题。基于在研课题项目对该问题进行了研究探讨, 给出一套无人机三维自主飞行解决方案 ,并进行了 飞行验证,旨在探索形成一种对装备升级改造的有 效方法。 其中,自动驾驶仪是无人机系统自动控制的关 [3 ] 键部件 ,由电源分系统、传感器分系统、飞行控 制器和执行机构组成,如图 2 所示。电源分系统为 其它部件提供稳定电力,传感器分系统包括垂直陀 螺、速率陀螺、高度传感器、空速传感器、航向传 感器以及 GPS 全球定位系统。飞行控制器是自动驾 驶仪的核心,由主控微处理器、采样处理器、GPS 解码处理器、导航计算微处理器、遥控解码微处理 器以及遥测微处理器组成。
[45 ] , 自动驾驶仪是一个复杂的闭环负反馈系统 可以控制无人机自动实现定高、定航向、定姿态飞

2

系统架构设计

整机系统由机体、发动机、电源、自动驾驶仪、 测控链路以及地面控制站组成,系统组成如图 1 所 示。机体主要用于安装、固定机载设备,发动机为 整机提供动力,电源为机载电子设备提供电力,自 动驾驶仪用于控制飞行,测控链路为无人机与地面 控制站之间提供通信信道,地面控制站为操作人员 指挥控制无人机以及规划任务提供基础平台 。

行。其简要工作原理如图 3 所示,当无人机在飞行 中受到干扰时,飞机的姿态会发生改变,陀螺就会 首先感受到飞机的俯仰角或倾斜角波动。这样,垂 直陀螺的俯仰电位计和倾斜电位计就会有电压信号 输出。电信号经 A / D 转换后送入飞控器微处理器 再经 D / A 变换后送运算放大器放大最后输送给舵 机,使升降舵和副翼舵产生偏转,从而产生气动控 制力使飞机恢复到水平状态。

图1

无人机系统组成框图

图3

自动驾驶仪闭环结构示意图

3

飞控软件设计
飞行控制器的主控微处理器包含整个飞行控制

的核心程序,软件流程设计如图 4 所示,主要实现 以下功能: ( 1 ) 与采样微处理器通讯,读取采样数据; ( 2 ) 与导航计算微处理器通讯,读取 GPS 信息 与导航计算数据; ( 3 ) 与遥控 解 码 微 处 理 器 通 讯,读 取 遥 控 信
图2 自动驾驶仪组成框图

息;

· 96· 2013 ,( 3 ) 战术导弹技术 Tactical Missile Technology May, ??????????????????????????????????????????????? ( 4 ) 根据读取到的信息,判断当前的飞行状态 并进行计算,送出舵机控制信息; ( 5 ) 对读取的数据进行解析,并打包,发给遥 测微处理器; ( 6 ) 接受调参器调参指令,调整控制参数。
g g

Kψ Kθ Kθ Kψ Ky e, a, a, a, a 为比例系数 。 由式( 1 ) 知道,决定升降舵偏角 δ e 的因素有俯 仰角 θ,俯仰角速率θ,实际高度 H 与目标高度的差 值 ΔH 以及航向角速率 ψ。其中目标高度由飞控程 序给出,飞机通过垂直陀螺、速率陀螺以及高度表 采集到俯仰角 θ,俯仰角速率 θ,实际高度 H,以及 航向角速率 ψ,然后分别按照一定的比例系数 K θ e、
g g

g

g

g

g

ψ Kθ KH e、 e 以及 K e 来计算出升降舵的出舵量 。与此类 似,影响副翼舵偏角 δ a 的因素有横倾角 ? 与横倾角 ? 速率?,它们按照比例系数 K ? a 和 K a 来控制副翼舵 面的出舵量。 g
g

本系统设计基于 GPS 全球定位系统进行导航, 首先在飞控器中预置航点,飞控器实时采集当前无 人机的 GPS 位置信息,并与预定的航点进行比对运 算,得出偏航距、偏航角以及高度偏差等数据,再 结合预置的飞控模型实现飞机按预定航线自主控制 飞行。

5

试验分析

对在研项目设计开发的模型机进行三维自主飞 行试验验证。试验流程如下:
图4 飞行控制微处理器软件流程设计

( 1 ) 航线规划。利用设计开发的软件平台规划 设置航点,如图 5 所示。本次试验共设 20 个航点, 每个航点包含方位、距离、高度三种信息。1 ~ 13 航点高度均为为2900 m,这些航点组成的航线用于 验证 平 面 二 维 导 航 效 果。14 ~ 20 航 点 分 别 由 2300 m降至 300 m,这些航点组成的航线作为回收 航线,同时用于验证高度飞行控制效果 。 ( 2 ) 航线注入。将规划好的航线通过通信链路 注入到飞控计算机。 ( 3 ) 航线回传。在软件平台上检验飞机回传的 航点信息是否正确。 ( 4 ) 飞行试验。完成航线规划以及各项准备工 作之后,启动飞行试验,切入自主飞行模式。 ( 5 ) 数据记录。利用软件平台实施监视飞行状 况并记录飞行数据。 ( 6 ) 飞行终止。试验结果分析如下:

4

三维导航设计

无人机导航控制一般通过改变飞机舵面实现, 无人机三维导航控制与平面二维导航相比 ,增加了 高度控制。因此,本设计在二维导航的基础上引入 高度控制,建立三维导航系统控制律模型,如式 ( 1 ) 所示。 ( 1) g g y ? ψ + K + K + K y δa = K? ? ? Δ ψ Δ a a a a 式中, δ e 为升降舵偏角; δ a 为副翼舵偏角; ?,θ,ψ 为倾斜角、俯仰角、机头指向角; ?,θ,ψ 为横倾角 速率、俯仰角速率、偏航角速率; Δy 为偏航距; ΔH
g

{

H θ ψ δe = Kθ e θ + K e θ + K e ΔH ± K e ψ

g g

g

g

g

g

g

为高度变化量; Δψ 为航向角变化量; K ,K ,K ,
θ e θ e

H e

· 97· 2013 ,( 3 ) 战术导弹技术 Tactical Missile Technology May, ??????????????????????????????????????????????? 飞行规划航迹如图 6 所示,实际飞行航迹如图 7 所示。从航迹平面二维显示可以看出,除了拐点 附近,其余有效航线上自主飞行控制效果良好。从 试验数据结果来看,飞机基本实现三维自主飞行功 能。

图7

飞行试验航迹

图5

三维自主飞行航点设置界面

6

结束语

对旧 装 备 进 行 功 能 拓 展 升 级,使 之“变 废 为 ,循环再利用,既满足了需求,又可节约成本。 宝” 本文基于在研课题项目,对无人机三维自主导航功 能升级改造进行了探讨,介绍了系统架构设计,阐 述了系统软件设计原理,给出了三维导航控制的解 决方案,并基于在研项目样机进行了飞行验证,初 步实现了三维程控功能,目前正在进一步优化中。 本文给出的解决方案为后续的研究奠定了基础 ,为 装备升级改造相关研究提供了有益参考 。 [ 参
图6 飞行航线规划图





献]

[ 1] 魏瑞轩,李学仁. 无人机系统及作战使用[M] . 北京: 2009. 国防工业出版社, [ 2] 朱华勇,牛轶峰,沈林成,等. 无人机系统自主控制技 . 国 防 科 技 大 学 学 报, 术研究 现 状 与 发 展 趋 势[J] 2010 , 32 ( 3 ) . [ 3] 顾均晓,刘剑锋,李栋,等. 微小型无人机自动驾驶仪 J] . 系统仿真学报, 2009 , 21 ( 6 ) . 的设计及试验研究[ [ 4] 王洋,韩军海. 无人机自动驾驶仪关键技术研究[ C] . 2010. 北京: 第三届中国无人机大会论文集 , [ 5] 刘 波,何 清 华,邹 湘 伏. 无 人 机 飞 行 控 制 技 术 初 探 [ J] . 飞行力学, 2007 , 25 ( 2 ) . [ 6] 钱正祥,张斌,巨孝成. 无人机飞行控制系统自修复 J] . 战术导弹技术, 2012 ,( 5 ) . 设计研究[

从航迹显示图还可以看到飞机有益处航线现 , 象 原因分析如下: ( 1 ) 飞机转弯需要一定的半径,为使飞机能够 平滑的进入下一个航线,在飞控程序中预先设定当 飞行至目标点 2. 5 km 时自动切换至下一航线。因 此,在拐点处飞机实际并没有飞抵,而是以一定的 半径自动转入下一个航线。 ( 2 ) 受 GPS 定位精度影响,在导航过程中存有 一定的位置偏差。 ( 3 ) 飞行空域天气状况可能会对飞行带来影 响,如风向以及瞬时的大气湍流等
[5 ]




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