500公斤級無人直升機飛控導航系統的設計與應用

賀偉 李新平

摘? 要：直升機以其懸停、貼地飛行、機動性能等特點能夠有效滿足軍事需求，故而一直是軍事研究的重點項目。較之有人駕駛直升機，無人直升機的關鍵在于其飛控導航系統，該系統是無人直升機能夠有效完成任務的核心所在。文章以500kg級無人直升機為對象，對其飛控導航系統的設計及應用展開論述。

關鍵詞：無人直升機;飛控導航系統;系統設計與應用

中圖分類號：V279? ? ? ? ?文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2019）26-0037-02

Abstract： Helicopter with its hovering and hanging in the air， ground flight， maneuverability and other characteristics can effectively meet the military needs， so it has always been the key project of military research. Compared with the manned helicopter， the key of the unmanned helicopter lies in its flight control navigation system， which is the core of the unmanned helicopter to complete the mission effectively. Taking the 500kg class unmanned helicopter as the object， this paper discusses the design and application of its flight control and navigation system.

Keywords： unmanned helicopter; flight control navigation system; system design and application

本文以500kg級無人直升機為具體對象，對其飛控導航系統的設計與應用展開研究。該機最大起飛重量為550公斤，采用活塞式發動機，主結構為金屬材料。該機是在H3超輕型直升機平臺基礎上，通過設計改型，研制一款新型的多用途無人直升機，這是目前國內噸位較大的無人直升機，有效載荷高達180kg，使用95號車用汽油，續航時間可在3～3.5小時，此款無人直升機型號在軍用、民用無人機領域，都具有強大的市場競爭力。

1 飛控導航系統構成

飛控導航系統作為無人機關鍵系統，不同于其它系統，這是個獨立的子系統，能夠在不同型號的無人直升機上通用，并且經過特殊設計，能夠完成不同的任務。

飛控導航系統主要功能是飛行過程中飛行姿態控制和飛行軌跡控制。主要用于穩定無人機飛行姿態，控制發動機轉速和飛行航跡。可實現直升機俯仰、傾斜、偏航、升降，以及飛行高度的穩定性控制、側向偏離控制和自動協調轉彎控制。對無人直升機實現全權控制與管理，因此飛控導航系統對于無人直升機相當于駕駛員對于有人直升機，是無人直升機基本飛行和執行任務的關鍵。

飛控導航系統包括飛控子系統、導航子系統和飛行管理子系統。

2 飛控導航系統設計

2.1 飛控導航計算機

2.1.1 硬件設計

飛控導航計算機硬件結構為：

a.嵌入式單片機：包括處理器，數字I/O及其控制，標準串行接口及總線驅動、隔離等。b.AD/DA轉換器：包括數據采集與處理，伺服控制。c.測量信號采集與處理：包括各種模擬信號的調理電路。d.GPS定位信號接收器：該板上裝有GPS接收機。e.隔離板：對所有進出機載計算機的信號進行濾波和隔離。f.濾波板：電源濾波。g.接口：飛控導航計算機對外接口分為串口、數字量輸入/輸出、模擬量輸入/輸出等，用于和機載傳感器、伺服舵機、無線傳輸、任務設備等進行數據傳輸。

2.1.2 軟件設計

軟件設計模塊劃分：主模塊、定時中斷處理模塊和串行中斷處理模塊。

a.主模塊主要完成系統初始化，包括RAM初始化、操作系統裝載、A/D、D/A、數字I/O和串行口初始化、A/D測試及采集、狀態信息采集、遙測編碼、航向解算及實時處理、導航數據處理等。b.定時中斷處理模塊主要完成與時間有關的周期性任務，包括無線傳輸管理、檢測和任務規劃數據處理、飛行控制律解算、伺服控制、飛行模態管理等。c.串行口中斷處理模塊主要響應串行口中斷，進行中斷識別并按不同中斷源做出不同處理。若中斷源為航向傳感器、GPS接收機，僅接收數據;若中斷源為TCTM設備，除接收遙控信息外，還要對遙控信息進行處理，譯碼并進行響應操作。

系統軟件運行以主模塊為核心，其他兩個模塊均以中斷方式運行。定時中斷優先級高于串行口中斷，各串行口中斷的優先級按波特率的高低而不同，波特率高的優先級高。通過合理的優先級分配、定時中斷周期選擇以及各模塊之間的調度，有效地解決系統軟件的實時性問題。

2.2 機載傳感器組

無人直升機機載傳感器包括兩個部分，一是原型機儀表板指示器的原有傳感器及系統告警傳感器。如發動機轉速傳感器、旋翼轉速傳感器、滑油溫度傳感器等。二是飛控導航系統新增的傳感器，包括角速度率傳感器、姿態傳感器、位置傳感器、高度傳感器及磁航向傳感器等，這些傳感器構成導航飛控系統自動控制的基礎。

2.2.1 定速儀

定速儀主要用來控制無人直升機發動機轉速，從而控制旋翼轉速使其穩定在535RPM左右。定速儀接收來自發發動機的轉速信號以及來自飛控的信號控制油門舵機，油門舵機接受來自定速儀的控制信息，通過油門鋼索改變油門的開度，從而改變發動機的轉速。

定速儀相當于發動機轉速的PID控制器，有了定速儀便可以維持直升機的旋翼轉速的穩定。定速儀的應用大大降低了旋翼轉速控制的難度。

2.2.2 超聲波高度計

超聲波高度計主要用于5米以下的高度測量，以彌補GPS定位系統在低空時測量精度不夠的缺陷。

超聲波高度計成本低，安裝簡便，一般應用于低空作業的無人機平臺。但超聲波高度計作用距離短，只能作為無人直升機高度測量輔助傳感器。

2.2.3 GNSS衛星導航接收機加磁航向傳感器

無人直升機飛行過程利用傳感器敏感的具體方位，是飛行軌跡控制的必要前提。慣性導航設備、GNSS衛星導航接收機（其中包含GPS/BD2/格洛納斯）、磁航向傳感器都是典型的位置傳感器。

GPS天線安裝在尾梁上端，避免信號遮擋的問題。磁航向傳感器安裝在飛控機箱上部，其外殼采用非金屬材料制作，避免鐵磁材料的干擾影響。

2.3 伺服舵機

伺服舵機指令來源 Futaba指令和控制律解算，可采用 Fu taba直通操控模式、控制律自動控制模式、人工/增穩混合控制模式等三種。控制指令傳輸到傾斜盤的4個舵機，用于控制直升機的俯仰、橫滾姿態以及總距;控制指令傳送至尾舵機，用于直升機航向控制。

伺服舵機基本要求是工作可靠、重量輕、尺寸小，選用SSPS105電動舵機作為俯仰、橫滾、升降和方向控制的執行舵機，HITEC HS-7980電動舵機作為油門舵機。

2.4 數據鏈路

該機具備兩套數據鏈路，Futaba鏈路和另一套獨立的無線電測控鏈路可協同工作。Futaba鏈路主要用于小于1500m近距離范圍內人工半自主飛行、測試。另一套數據鏈路采用訊聯科技100KM測控與信息一體化設備產品主要用于自主飛行以及較遠距離的自主飛行和測試。

3 飛控導航系統應用

3.1 仿真試驗

對該機采用半物理仿真試驗，因為全數字仿真試驗難以將執行機構和傳感器等非線性環節對飛控系統的影響完全考慮進去，仿真置信度不及半物理仿真。

半物理仿真平臺用于完成無人直升機試飛之前對飛控系統動態測試，數字仿真系統對自動駕駛儀進行機載傳感器和GPS信號注入，自動駕駛儀按照真實飛行的方式給數字仿真系統發出控制指令，實現對數字仿真機的控制，從而驗證自動駕駛儀的執行策略和直升機的飛行品質。

仿真計算機一方面通過RS-232串行總線實現與地面控制軟件的數據通訊，另一方面還通過網絡傳輸方式，將飛行過程運動信息實時發送至視景模擬計算機，主要完成以下功能：（1）解算六自由度非線性飛行器運動方程，得到飛機各種運動參數信息。（2）運行發動機仿真程序，根據飛行高度、空速、發動機油門位置和發動機轉速解算出發動機輸出扭矩。（3）仿真飛行控制系統的各種傳感器向飛控系統提供傳感器信息，如氣壓高度傳感器、磁力計、空速計、慣導、GPS等信息。（4）解算舵機環節仿真模型，根據接收到的舵偏指令響應。（5）解算風擾動仿真模型，為飛行過程仿真提供側風、紊流和突風數據。

3.2 飛行試驗

該無人直升機自從2016年12月解除系留繩，帶井字架首飛成功;2018年1月在日照嵐山機場進行了低溫性能、平飛性能、載荷性能等試飛科目;2018年6月完成某基地鑒定試飛，鑒定試飛主要科目是平飛性能、斜向爬升性能、垂直爬升性能、航程和續航時間試飛科目，通過某基地鑒定試飛，驗證無人直升機平臺各個系統工作穩定性和可靠性，考核驗證該型機總體技術指標;對飛控導航系統功能性、工作可靠性進行考核，充分驗證了飛控導航系統的飛行姿態增穩功能、自主飛行控制功能和系統自檢測功能。2019年5月該無人直升機實現了飛越瓊州海峽的壯舉。

試驗結果表明，500kg級無人直升機飛控導航系統設計合理，能夠在多種復雜環境下進行可靠的應用。空機重量低，空重比高，有效載荷達180kg，在同噸位無人機中，任務載荷量大。所以除完成空中靶機的任務使命，能掛載不同的任務載荷，遂行生化探測、農林噴灑、物流、察打一體等不同的任務使命。同時，無人直升機研發周期短，有效地控制了研制成本和使用成本，無人直升機系統功能強大，性能指標與同噸位機型大致相同，但價格低，產品性價比高。

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