無人機編隊表演控制系統設計與實現

謝海軍，梁湛民，王健

（北京理工大學珠海學院，廣東 珠海 519085）

隨著無人機編隊表演的興起，編隊飛行表演成為小型無人機發展的新方向[1-4]。目前，編隊表演是由成百上千架無人搭載LED燈光在空間組成點陣，通過燈光色彩編程控制每架無人機上LED光源的亮滅組成各種圖案[5-11]。但是，編隊表演形式存在一些不足，主要表現為需要無人機數量多、大批量摔機、單個掉落、單個飛走等，抗干擾能力有待加強，而且每一次表演的費用昂貴[12-15]。文中設計了一種新型的無人機編隊表演控制系統，可降低無人機編隊表演成本。

1 無人機組成原理

無人機由飛控計算機、傳感器系統、GPS模塊和動力系統等組成[15-16]。飛行控制系統被視為無人機的大腦，其核心是飛控計算機，飛機是懸停還是飛行、向哪個方向飛都是由飛控下達指令；傳感器系統相當于無人機的眼睛，用于實時測量和采集無人機數據；GPS模塊用于對無人機進行定位；通信模塊用于無人機和地面基站進行通信；動力系統由無人機的風門、升降機、方向機、副翼和動力電池組成，飛控計算機發出的指令給動力系統，從而完成各種動作。

1.1 飛控系統

無人機飛控系統如圖1所示，其主要由遙控板和飛控板組成。無人機飛行控制系統是指能夠穩定無人機飛行姿態，并能控制無人機自主或半自主飛行的控制系統。飛控系統實時采集各傳感器測量的飛行狀態數據、接收無線電測控終端傳輸的由地面測控站上行信道送來的控制命令及數據，經計算處理，輸出控制指令給執行機構，實現對無人機中各種飛行模態的控制和對任務設備的管理與控制。同時，將無人機的狀態數據及發動機、機載電源系統、任務設備的工作狀態參數實時傳送給機載無線電數據終端，經無線電下行信道發送回地面測控站。

圖1 無人機飛控系統

1.2 無人機定位

文中系統采取差分GPS定位方法，目的在于消除常規GPS技術中人為加入的系統誤差。差分系統由坐標已知、固定不動的基準站和移動站組成，其工作原理如下：

式中，i=1,2,…,n。

設基準站A觀察j衛星，測得偽距為：

式中，ρjAt為t時刻A至衛星j的真實距離。送往移動臺B點的差分改正為：

設基準站B觀察j衛星，測得偽距為：

式中，ρjBt為t時刻B至衛星j的真實距離。送往移動臺A點的差分改正為：

將A、B兩個測量點的偽距改成正數代入差分原理式（1）中，得：

假設A、B兩點間距不超過50 km，因而LjBtrop≈LjAion，LjAtrop≈LjBion。設d=c(VTB-Vtj)，所以式（6）可簡化為：

式（7）按臺勞級數展開并整理得：

對式（8）按最小二乘法表示的偽距差分模型為：

整理得：

由式（10）可計算無人機之間的相對距離。該方法通過兩點GPS的差分消除兩個GPS中的共模誤差。

1.3 飛控系統硬件

飛控板由STM32主控制器和MPU6000陀螺儀組成，其原理如圖2所示。主控制器根據當前的任務指示結合控制算法，輸出適當占空比的PWM波信號，控制電源輸出的交變電流大小及尾部舵機轉向，由此完成四旋翼、固定翼、直升機的姿態控制飛行。飛控系統無需借助GPS融合或者磁場傳感器參與修正，就能保持長時間的姿態控制。通過C語言編譯便可設置或者更改飛機種類、飛行模式、支持云臺增穩等功能。由于地面站軟件集成了完整的電子地圖，因此可以通過電臺實時監測飛機狀態。

圖2 飛控板原理圖

1.4 LED點陣

如圖3所示，以8×8×8的點陣為例。4架無人機在同一平面上飛行，組成一個正方形，搭載LED點陣的一個端點。同一平面內有64個LED點陣，立體空間LED組成了512個點陣。編寫圖案程序，并將指令發送至FPGA，由FPGA控制LED的亮滅，形成所需圖案。

圖3 LED點陣

1.5 LED點陣驅動

設計采用FPGA芯片EP1C6QC240C8。系統根據LED點陣的要求，利用Avalon總線配置了32位CPU軟核以及ROM、RAM、SRAM、FIFO、SDRAM和DMA等片內外資源。用C語言編寫DMA控制程序，實現在FIFO與Avalon傳輸，同時還專門設計了LED控制器，以實現LED點陣顯示圖案的功能。使用FPGA的IO口來驅動LED點陣的行，但由于IO口的輸出電流比較小，無法直接驅動行方向的LED燈，所以要在IO口輸出管腳與點陣的行之間安裝一個PNP型的三極管，起到放大電流的作用。當IO口給出低電平時，三極管導通，三極管的另一端輸出高電平，點亮行向LED。行LED點陣行驅動如圖4所示。以8×8×8的點陣為例，在8×8的平面內需要布置64個三極管放大器，用于驅動同一平面內的LED燈。列驅動采用FPGA，其本身就具有鎖存功能和移位輸出功能，且移位寄存器和輸出鎖存器的控制是相互獨立的，可實現在顯示一行的列數據同時傳送出下一行的列數據。LED點陣的列線接到FPGA的IO口上。主機給出指令顯示數據，實現對LED點的控制。列LED點陣列驅動如圖5所示。

圖4 行LED點陣行驅動

圖5 列LED點陣列驅動

2 軟件設計

2.1 飛行模塊主程序設計

圖6所示為飛行模塊主程序圖，電路通電后，各芯片進行初始化，進入按鍵掃描階段，此時系統處于待機狀態。

圖6 主程序圖

2.2 中斷控制流程圖程序設計

圖7所示為中斷控制流程圖程序，中斷源向MPU提出處理要求，MPU先暫時停止當前的工作，而轉去處理另一件工作。具體步驟是首先要把中斷打開，當有中斷時，保護被中斷進程現場，將當前PSW和PC等的值保存；接著，若有多個中斷同時發出請求，則進入優先級最高的中斷，處理數據；之后恢復被中斷進程現場，返回主程序。

圖7 中斷控制流程圖程序

2.3 LED點陣程序設計

圖8所示為LED點陣顯示主程序，系統采用C語言編寫LED點陣圖案程序，通過編譯器將源程序編譯成可執行文件并下載，對可執行程序進行調試和運行。主程序主要完成系統的初始化，其主要功能是：對于系統中的每一個微處理器，從設備都生成一個定義該設備地址的頭文件，為軟件開發創建存儲器映射文件。DMA的操作通過中斷服務程序執行，把需要送出的像素信息排成一行，順序送出形成數據流，借助于Avalon流模式外設的設計方法，實現一個Avalon流模式的LED控制器。利用DMA控制器在流模式控制器和SRAM之間建立一條DMA傳送通道，通過硬件來完成像素信息的自動讀取。

圖8 LED點陣顯示主程序

3 結束語

文中提出一種新型無人機編隊表演方法，由4架無人機搭載LED燈帶組成點陣，控制點陣中LED的亮滅，實現各種所需圖案；該系統LED燈點陣可以擴展，可由多架無人機LED平面燈組成空間立體，實現立體圖案。該系統用LED燈帶組成點陣，可以減小無人機數量，降低表演成本，具有一定使用推廣價值。