復合材料無人機航電系統的改進設計

王爾申,張芝賢,雷 虹,孫延鵬

(1.沈陽航空航天大學電子信息工程學院,沈陽 110136;2.電磁環境效應航空科技重點實驗室,沈陽 110035)

1 引 言

無人飛機(UAV),包括無人作戰飛機(UCAV)是當今世界軍用武器發展的一個熱點,同時其在民用領域亦有廣闊的應用前景。無人機正朝著微型化、長航時、中高空作業、太陽能供電等趨勢發展。高效、可靠的數據傳輸系統,通用的地面控制系統,機載通信情報偵察系統高性能的任務載荷設備都是無人機系統研究的熱點技術[1]。由于無人機具有的低成本、輕結構、高隱身、長航時等特點,決定了其對復合材料有特殊的需求。在各種無人機上幾乎無例外地大量使用了復合材料,如美國的“捕食者”除機身大梁外全機由復合材料制成,著名的高空長航時無人偵察機“全球鷹”除機身主結構外,其余均由復合材料制成,包括機翼、尾翼、大雷達罩等部件[2]。

隨著復合材料技術的發展,特別是先進復合材料,具有比強度高、比剛度高、耐腐蝕、疲勞性能好、可設計性強等一系列獨特的優點,使得復合材料在無人機結構設計上起到了不可代替的至關重要的作用。

航空電子系統作為無人機重要的組成部分,其性能的好壞是無人機能否安全飛行、完成預定任務的關鍵。隨著電子技術、計算機、信號處理以及微電子機械(MEMS)等技術的飛速發展以及無人機技術的不斷發展,無人機航電系統正朝著智能化、模塊化、綜合化和高性能化的方向發展[3-5]。

本文結合復合材料無人機總體指標要求:具備自主起飛、自主安全著陸功能;具有手動、自動控制功能;具備實時保持與地面進行通信等性能,以減少機載設備的重量、體積、成本和提高飛行的整體性能為設計原則,對其中的航電系統深入分析的基礎上進行了改進設計,并針對復合材料是一種非金屬材料,具有特殊的電磁性能,對航電系統各設備的安裝、電纜敷設以及系統聯合調試等相關問題進行了探討。

2 航電系統的整體設計

復合材料無人機航電系統采用綜合模塊化設計思想,其功能主要實現對各種通信傳感器的控制管理,接收各種導航傳感器的導航數據,并根據飛行任務實現對執行機構的控制管理,確保無人機安全飛行,并完成規劃任務。為了滿足上述功能,其組成主要包括三大部分,即電源系統、機載系統(飛控系統、GPS導航接收機、舵機、數據鏈路終端)和地面站系統[6]。其中,電源系統為無人機航電系統提供合適的電壓;飛控系統根據GPS導航信息控制伺服機構進行飛行控制,再通過集成的速度壓力傳感器、高度壓力傳感器、三軸陀螺和加速度計等傳感器測得的數據通過數據融合算法得到飛機姿態,如飛行速度、高度、航向、俯仰角、滾動角等,不斷對伺服機構進行調整,控制飛機按照預定的航線進行飛行;地面站系統包括地面控制站(數據鏈路終端、地面站硬件及配套軟件),主要負責配置自動駕駛儀參數、規劃飛行任務、顯示航路點和實時修改任務規劃、監視飛行姿態位置以及分析飛行數據等。系統各個組成部分通過相應的總線進行通信,機載系統與地面系統之間通過無線數據鏈路進行通信。其系統組成框圖如圖1所示,本文重點討論機載航電系統的設計。

圖1 復合材料無人機航電系統原理框圖Fig.1 General architecture of the avionics system for composite material UAV

2.1 航電系統電源的設計

電源為無人機機載設備提供正常的工作電壓。機載系統中電子設備的種類繁多,設備內部電路的供電需求也各異。另外,考慮系統設備工作的穩定性和可靠性需要,設計中將大電流與小電流設備的電源分別供電。因此,需要多個電源轉換器進行電壓轉換。本電源電路其中一路將鋰電池輸出的28 V電壓通過開關電源轉換為12 V電壓,采用線性穩壓器,得到5.5 V電壓提供給飛控系統、超聲波高度計等設備作為電源。另一路將鋰電池輸出的28V電壓通過開關電源轉換為12 V電壓,為各種舵機供電。同時,本系統在電源設計時采用濾波和吸收方法來抑制電源引入的干擾[7],電源系統框圖如圖2所示。

圖2 無人機航電系統電源設計原理Fig.2 Design principle of power for UAV

根據無人機的飛行任務要求,針對航電系統中各個模塊設備的工作狀態,對其耗電情況進行理論分析和計算。為了安全起見,在滿足飛行任務要求的前提下,鋰電池的容量留有30%的余量。選定鋰電池參數特性為30 AH、28 V、5.4 kg。此外,由于復合材料自身導電性能較差,無法將其作為機載供電電源的負母線,在進行電源布線設計時需要將單線制供電方式設計為雙線制供電方式。

2.2 自動飛行控制系統的設計

自動飛行控制系統選用的是STA3X自動駕駛儀系統,該系統集成了姿態航向參考系統(AHRS)和INS/GPS組合導航模式,是無人機航電系統的核心部分,用于接收各種傳感器的數據,通過相關控制算法得到舵機控制參數,實現對無人機的實時控制;并接收數據鏈路的數據,接受地面站的指令控制飛行;并將飛行的飛行狀態通過數據鏈傳遞給地面站。該自動駕駛儀為用戶提供了良好的控制律開發環境。其系統硬件采用工業級TI系列DSP處理器、集成24 bit ADC、三軸速率陀螺、三軸加速度計、三軸磁力計、雙嘴空速傳感器、氣壓高度計、5 HzGPS接收機。此外,可選配PWM/離散信號擴展器等。系統接口有RS-232、RS-485,可方便與舵機等其他外設進行連接。

2.3 舵機系統的設計

根據氣動力實驗提供的鉸鏈力矩相關參數,舵機選用大功率無刷舵機DA26,該舵機最大的特點是:在惡劣的環境下,工作具有高可靠性。該舵機將無觸點、無磨損、無刷電動技術相融合,降低噪聲電磁干擾(EMI),提高了使用壽命和效率。控制接口選取RS-485接口,與飛控系統接口靈活,控制方便。

2.4 超聲波傳感器的設計

超聲波測距傳感器由自動飛行控制系統控制發出超聲波,通過檢測超聲波發射后遇到障礙物所反射的回波,進而測出發射和接收回波的時間差,從而根據聲波傳輸速度求出距離。超聲波測距儀主要是用于無人機自動起飛和降落過程中測量無人機相對地面的高度,進而為無人機自動起飛和降落提供可靠的高度數據。本設計采用美國Senscomp公司的超聲波模塊600,測量精度1%,重量19 g,供電電壓6～24 V,供電電流55 mA,發射超聲波時要求供電電流能提供2 A的負載能力,超聲波發射頻率50 kHz,標稱測量范圍從15.24 cm～10.668 m,符合無人機在起飛、降落時對高度測量范圍和精度的要求。

2.5 數據鏈路系統的設計

數據通信鏈路采用美國MDS的產品TransNET900的無線數傳模塊EL805,用于實現無人機和地面站之間的信息傳輸,將地面站操控終端的飛行指令、飛行路徑數據等控制信息傳輸到無人機上,并將無人機位置、方向、飛行狀態和姿態等參數回傳到地面站。該模塊具有接收靈敏度高、抗干擾和保密性強的特點。同時,無線數傳模塊EL805可進行組網設計,用于擴大監控區域。該模塊工作頻率900MHz,傳輸速率115.2 kbit/s,工作電壓6～30 V DC,接口為 RS-232。

2.6 差分GPS定位系統的設計

無人機安全著陸是非常重要的,飛控系統自身集成的單頻GPS接收機定位精度在10 m(CEP)范圍內,不能滿足無人機的自主起飛和自主著落要求,為了使無人機安全著陸并且精確地執行任務,根據實際需要,在本航電系統中建立了GPS差分定位系統,通過進行實時差分進一步提高定位的精度。

在此設計中,選用美國的PDL專業數傳電臺,基準站部分采用35 W的大功率發射電臺,移動站采用2 W的數據接收電臺。設計中GPS差分接收機采用NovAtel FlexPak-V1做為基準站,用來生成RTCM SC-104差分校正數據。GPS差分電臺和飛控系統的接口關系以及地面站GPS基準站和數傳電臺的接口如圖3和圖4所示。

圖3 GPS差分電臺與飛控系統的接口框圖Fig.3 Interface between DGPS and autopilot

圖4 GPS差分接收機與數傳電臺的接口框圖Fig.4 Interface between DGPS and data link

3 航電系統設備的布局

隨著電子、電氣、計算機、控制理論與控制工程等科學技術的發展,飛機電子設備類型、數量和工作方式愈來愈多,頻率覆蓋范圍不斷擴展,發射功率愈來愈大,接收靈敏度愈來愈高,機上設備共用的電磁環境也越來越復雜,復雜的電磁環境對機上電子設備提出更為苛刻的電磁兼容性要求。因此,對航電系統設備的布局提出了更高的要求。

機載電子設備的安裝布局要考慮工藝要求和EMC設計兩方面的因素[6-7]。如數據鏈路天線反射板的合理尺寸設計。考慮到發動機點火時瞬間產生火花以及工作時產生的振動,將敏感設備比如自駕儀、超聲波高度計遠離發動機,并避免與大功率無線收發機靠近。無人機航電系統電纜敷設主要考慮航電飛控系統與其他系統之間的電連接關系之外,考慮滿足電磁兼容性能要求。著重考慮以下幾點:機載航電設備的電搭接、負線板的設計與安裝、靜電防護、電磁輻射防護、電纜通路的合理設計和接地等[8-9]。

4 航電系統調試需要注意的問題

機上航電設備較多,整個系統在同一個電磁環境下正常工作,任何設備的工作都不應造成其他設計性能的下降。為此,在進行航電系統聯合調試時需要考慮以下問題。

(1)檢查空速傳感器:用注射器和一段油管在空速傳感器上或用手指壓住空速管,以產生一個正的氣壓,檢測空速管的讀數。

(2)檢查超聲波高度計:將安裝超聲波的機體舉起,離開地面,超聲波高度表的讀數應該增加,正比于機體離開地面的高度。

(3)檢查GPS接收機:在室外對自動駕駛儀加電,觀察GPS接收機是否工作正常,用多長時間鎖定,能夠正常給出定位數據。如果接收機是冷啟動,可能需要幾分鐘才能鎖定;如果在當天已經加電,可能定位得快,約1 min以內。

(4)檢查俯仰陀螺和滾轉陀螺:將機頭抬起或滾動飛機一定角度,觀察其相應的讀數是否正常。

(5)檢查舵機:通過對機體姿態調整,觀察相應舵機(包括升降舵、方向舵、副翼等)動作是否合理。

(6)檢查干擾:對所有安裝在飛機上的 RF(射頻)發射機進行干擾檢查。由于系統上安裝了無線數據鏈路,需要檢查數據鏈路工作時是否影響其他的傳感器工作。如果舵機、自動駕駛儀等傳感器工作異常,則重新考慮安裝無線數據鏈路的天線以消除干擾。

5 結 論

本文結合復合材料無人機航電系統的設計,建立了一套完整的無人機航電控制系統的工程設計方案。對無人機系統的指標進行了理論分析,以此為依據通過計算選擇合適的航電設備模塊,將總線技術應用在無人機航電系統的設計實踐中,有利于航電系統外圍設備的接口連接和功能擴展,推動了無人機航電系統小型化、智能化和模塊化的發展。研究表明,無人機航電系統設計過程中要自始至終注重EMC的設計才能確保系統的穩定性和可靠性。本文研究的復合材料無人機的航電系統設計,對復合材料無人機的應用以及其他翼型無人機低成本航電系統的設計具有一定的意義和參考價值。在本硬件平臺基礎上可以進行飛控系統軟件改進算法的研究等工作。

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