某型无人机导航_飞控系统设计与仿真
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文章编号：１６７１－－４５９８（２００６】０６一０７５９一０３
中圈分类号：ＴＰ２７３
文献标识码：Ａ
某型无人机导航／飞控系统设计与仿真
高建尧，卢京潮，闰建国
（西北工业大学自动化学院，陕西西安 ７１００７２）
摘要：某型无人机以ＤＳＰ为核心部件，介绍了其导航／飞控系统硬件设计、结构，其中主要包括数据采集、数据通信，介绍了导航／ 飞控软件，给出流程框图，设计了用于验证该系统的仿真系统；仿真系统引人大气模拟系统和ＧＰＳ模拟系统，介绍大气模拟系统结构原 理和ＧＰＳ工作原理，仿真各子系统之间采用ＣＡＮ总线进行连接，并且挂载真实舵机，检测舵机偏转检测，形成负反馈；最后，给出系 统仿真步骤和仿真内容，得出仿真结果，验证该系统可行、正确。
ｔｅｒｎ ｉｓ ｄｅｓｉｇｎｅｄ ｗｈｅｒｅ ｔｈｅ ａｉｒ ｄａｔａ ｓｙｓｔｅｍ ａｎｄ ＧＰＳ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ ａｒｅ ｂｒｏｕｇｈｔ ｉｎ．Ｔｈｅ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ｏｆ ｔｈｅ ｔｗｏ ｓｙｓｔｅｍｓ ｉｓ ｅｘｐｌａｉｎｅｄ．Ｔｈｅ ｓｕｂ —ｓｙｓｔｅｍｓ ｏｆ ｔｈｅ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ ａｒｅ ｃｏｎｎｅｃｔｅｄ ｔｏ ｅａｃｈ ｏｔｈｅｒ ｔｈｒｏｕｇｈ ＣＡＮ—ｂｕｓ，ｒｅａｌ ｓｅｒｖｏｓ ａｒｅ ｂｒｏｕｇｈｔ ｉｎｔｏ ｔｈｅ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ ａｎｄ ａ ｆｅｅｄｂａｃｋ ｓｙｓｔｅｍ ｉｓ ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ。Ａｔ ｔｈｅ ｅｎｄ，ｔｈｅ ｐｒｏｃｅｓｓ ａｎｄ ｃｏｎｔｅｎｔ ｏｆ ｔｈｅ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ａｒｅ ｐｕｔ ｕｐ ａｎｄ ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ａｒｅ ｇｉｖｅｎ ｗｈｉｃｈ ｓｈｏｗ ｔｈｅ ｎａｖｉｇａｔｉｏｎ ａｎｄ ｆｌｉｇｈｔ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ ｉｓ ｆｅａｓｉｂｌｅ ａｎｄ ｃｏｒｒｅｃｔ．
万方数据
拟真实飞行，地面站采用无线电收发板与飞控／导航系统进行 无线电通讯，完成飞控导航指令的发送和飞行状态数据的接收 和显示；其他各部分系统采用ＣＡＮ总线相互连接进行通讯。 ＣＡＮ总线具有操作方便，通讯实时高效的特点，可以满足各 部份系统的要求。 １．２导航／飞控硬件设计
导航／飞控系统是整个仿真的中心也是实际飞行的核心， 担负着航迹规划、数据采集、控制律计算，故障检测等重要任 务，决定着飞行稳定和安全性。针对某型无人机研制任务的要 求，硬件上采用ＴＭＳ３２０Ｆ２８ｘｘ型号ＤＳＰ为主要处理部件。 Ｆ２８ｘｘＤＳＰ含有丰富的外围设备，包括１６路１２位ＡＤ、多种 串口外围设备及其他丰富的片上资源，其主频高达１５０ ＭＨｚ， 完全满足本系统的要求。 １．２。１ 数据采集口］
４ 结论
文中所述导航／飞控仿真系统，引入了ＧＰＳ模拟系统和大 气模拟系统，使系统更能模拟实际飞行。ＣＡＮ总线的运用， 解决了各个子系统间的复杂通讯问题，使多子系统之间的通讯 简单、可靠、高效。同时，本文也验证了文中导航／飞控系统 的可行性和正确性。本仿真系统也适用于类似的无人机导航／ 系统飞控验证，具有一定的工程价值，并且可为其他仿真系统 提供借鉴。
图３大气模拟工作示意图
１．４其他系统 整个仿真系统还包括飞机模型计算机，飞机模型计算机用
于解算飞机状态。根据飞机模型，按照采样时间离散化后下载 到计算机中。计算机获得飞控输出舵偏转角控制量，经模型解 算输出飞机响应状态，反馈给飞控形成闭环控制。
ＧＰＳ是现今无人机高精度可靠飞行的主要手段，仿真情 况下无法实时获得ＧＰＳ定位信息，因而需要建立ＧＰＳ模拟系 统，模拟实际飞行，同时也能全面测试系统。ＧＰＳ模拟系统 根据ＧＰＳ组帧格式，依据导航航程推算得出的位置信息，加 上适当的误差，按照每秒一帧的频率向导航系统输入经纬度、 高度，地速等主要信息，以标准ＮＭＥＡ格式组帧并发送。 ２系统软件设计
本系统主要包括以下主要部分：地面站、ＧＰＳ模拟系统、 大气模拟系统、导航飞控系统、飞机模型计算机等，连接示意 图如图１所示。由图可见，为验证设计的导航／飞控系统，模
图１仿真总体示意图
收稿日期：２００５—１０—２５：修回日期：２００５—１２—０７。 作者简介：高建尧（１９８１一），男，浙江龙游人，硕士生，主要从事控制 理论、控制工程、无人机导航与控制等方向的研究。
图４导航飞控软件流程
３ 仿真 ． 如图１连接各部分子系统后，挂载真实舵机并连接模型飞
机便于检测舵机偏转方向及角度是否正确，并形成闭环系统。 导航／飞控系统调试并验证完成之前，考虑到安全问题，不适 合进行实际飞行，因而无法给出飞机动态的各种响应状态。为 此，在飞控系统向舵机输出ＰＷＭ信号的，同时检测舵机实际 偏转角度并通过ＣＡＮ总线将值发送到飞机模型计算机，进行 模型解算，解算后的飞机响应由模型计算机以广播的方式传送 到ＣＡＮ总线上，飞控系统从ＣＡＮ总线上获取飞机响应形成 负反馈控制；在此过程中，大气数据也从ＣＡＮ总线上获取期 望空速、高度经计算输出后作用于飞控的空速、高度传感器， 实现近乎真实的模拟飞行。在整个仿真系统中，飞控／导航系 统以及舵机等都是真实机载系统。 ３．１仿真步骤
Ｆ２８ｘｘ自带的ＡＤ具有１２位精度，实际有效精度为ｌＯ 位，用于采集精度较低而又不影响整体系统质量的飞行状态 量，如油门开度、发电机电平、温度等。在小扰动下飞行和机 动飞行时３个轴向的速率，位置变化范围比较大，要求精度较 高，为此选用ＡＤＳ８３６４进行采集。ＡＤＳ６３６４含６路差分输入、 １６位转换有效精度１４位的ＡＤ通道，芯片自带队列缓存 （ＦＩＦｏ），能有效防止数据丢失，进行高速、高精度转换，最 大限度的满足系统要求。其系统硬件连接图如图２所示。 １．２．２系统数据通讯
参考文献： Ｅｌｉ张明廉．飞行控制系统ＥＭ］．北京：航空工业出版社，１９９４．
Ｅ２］屈耀红．某型无入机的定位与导航控制研究ＥＤ］．西安：西北工业 大学，２００２．
（１）为保证各部分连接时能正常工作，需保证各部分子系 统工作正常。独立各部分子系统，分别测试；
（２）脱离飞控系统和飞机模型等，只连接地面站和导航系 统，以验证导航各部分功能，此时，导航输出控制量作为导航 输入量，自身形成反馈；
（３）再连接飞控系统和模型飞机，开环测试导航／飞控系 统，通过舵机偏转方向正确与否判定系统是否正常可靠；
大气模拟系统目的在于模拟提供飞机飞行中空速和高度， 给飞机空速传感器和高度传感器提供一定的压力，使相应的控 制环节使飞机在静态调整空速、高度。模拟系统由高精度气压 传感器，气压阀门，储压装置，气压泵以及计算机控制系统组 成。给定一定压力，计算机通过Ｄ／Ａ输出控制信号，打开压 力阀门向储压装置冲气，由压力传感器测得压力值经Ａ／Ｄ采 集与给定压力相比较形成闭环反馈控制，其框图如图３所示。 储压装置与飞控空速、高度传感器相连。
为保证系统稳定可靠，导航与飞控不相互铰链。为保证导 航精度，考虑到导航滤波采用单独的ＣＰＵ用于导航计算，保 证计算的实时和可靠性，同时担负任务管理。导航ＣＰＵ需与 外部地面站、任务设备及ＧＰＳ接收机进行通讯，其中ＧＰＳ信
中华测潼阚
·７６０·
计算机测量与控制
第６期
图２飞控／导航硬件连接示意图
号可靠接收占有重要地位，选用外扩串口收发芯片ＴＬｌ６Ｃ７５ 进行通讯。ＴＬｌ６Ｃ７５含有６４级ＦＩＦＯ，独立的收发通道。为 保证ＧＰＳ接收优先性，采用中断接收并占用Ｆ２８ｘｘ高优先级 外部中断。在接收地面无线电以及与机载任务设备通讯时，采 用ＲＳ４２２接口与导航ＣＰＵ相连。ＲＳ４２２采用差动、低误码率 高速传输，能有效的降低通讯噪声。无线电接收板选用Ｍａｘ— Ｓｔｒｅａｍ ＯＥＭ通讯模块。导航ＣＰＵ将接收到的信息解码、滤 波，进行导航计算得到位置信息并通过数据交换存储区向飞控 计算机传送控制指令。飞控ＣＰＵ同时将采集处理后的姿态信 号通过数据交换存储区回传给导航系统，经由无线电下发给地 面站实时进行显示和分析。 １．３大气模拟系统
各个子系统分别有各自的软件，其中核心是导航／飞控软 件。导航／飞控软件流程如图４所示。导航模块分为中断非中 断两大块，中断中进行飞机航位推算、信息融合、目标点到达
判断以及导航控制律计算，信息融合采用常值卡尔曼进行滤波 融合。非中断程序中将接收到的地面、ＧＰＳ、任务设备信息进 行解码，信息的接收采用中断和查询相结合的方式接收；判断 并进行航线切换；根据飞行任务进行任务管理；完成与地面、 任务设备的通讯。飞控模块主要为定时中断，在中断中采集数 据，采集姿态数据，简单滤波后参与控制律计算；指令读取主 要读取导航的控制指令，执行自动或手动控制；经控制律计算 后向舵机输出ＰＷＭ信号，完成对飞机的稳定Biblioteka Baidu控制。软件在 ＴＩ提供的ＣＣＳ环境下编写，编译后通过ＪＴＡＧ接口下载到 ＤＳＰ中。系统的其他部分软件在ＶＣ＋＋６．０环境下编译完成。 ＧＰＳ模拟系统主要任务是提取位置信息并融入一定的白噪声 误差，根据ＮＭＥＡ标准，组帧并将数值转化为字符，定时并 通过异步串口输出，其中的关键在于将数值型数据按一定的规 则转化为字符。地面站主要完成飞行姿态、状态监测，飞行指 令控制及航迹显示等功能。在与导航／飞控的通讯上采用问答 方式，并设有通讯链路防断保护，即在两个节拍内没有收到回 传信息主动复位链路。
关键词：无人机；导航／飞控系统；仿真；ＣＡＮ总线
ＮａＶｉｇａｔｉｏｎ／Ｆｌｉｇｈｔ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｓｙｓｔｅｍ Ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ Ｃｅｒｔａｉｎ ＵＡＶ
Ｇａｏ Ｊｉａｎｙａｏ，Ｌｕ Ｊｉｎｇｃｈａｏ，Ｙａｎ Ｊｉａｎｇｕｏ （Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ，Ｎｏｒｔｈｗｅｓｔｅｒｎ Ｐｏｌｙｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｘｉ＇ａｎ ７１００７２，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｈａｒｄｗａｒｅ ｏｆ ｃｅｒｔａｉｎ ＵＡＶ ｉｓ ｂａｓｅｄ ｏｎ ＤＳＰ．Ｔｈｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｆ ｎａｖｉｇａｔｉｏｎ／ｆｌｉｇｈｔ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ ｍａｉｎｌｙ ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ ｄａｔａ ａｃｑｕｉ— ｓｉｔｉｏｎ ａｎｄ ｄａｔａ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ ｉｓ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ．Ｔｈｅ ｓｏｆｔｗａｒｅ ｏｆ ｎａｖｉｇａｔｉｏｎ／ｆｌｉｇｈｔ ｃｏｎｔｒｏｌ ａｎｄ ｔｈｅ ｆｌｏｗｃｈａｒｔ ａｒｅ ｇｉｖｅｎ ａｓ ｗｅｌｌ．Ａ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｓｙｓ—
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ＵＡＶ；ｎａｖｉｇａｔｉｏｎ／ｆｌｉｇｈｔ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ；ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ；ＣＡＮ—ｂｕｓ
Ｏ 引言 随着航空事业的发展，无人机的研制和使用越来越受到人
们的重视，元人机以其体积小、成本低、多用途和可复用等特 点成为关注的焦点。导航／飞控系统是无人机实现自主飞行的 核心内容，如何设计并验证导航／飞控系统设计的稳定、可靠 性而又不需要花费大量人力、物力进行实际飞行承担风险，成 为工程研制得重要课题。基于以上考虑，本文一方面介绍导航 ／飞控系统，另一方面根据所研制的导航／飞控系统，设计了一 套能够替代实际飞行，而又最大限度的模拟实际飞行的仿真系 统，并对所设计导航／飞控系统进行仿真验证。 １ 系统设计与实现 １．１总体设计
．（１）自主飞行：地面规划好航线后，由导航／飞控系统自 主完成飞行任务；
（２）人工干预：由地面根据飞行任务，手动调整飞行航向 和飞行方式，导航／飞控系统只起到飞行增稳和数据传输的功 能。
３．３仿真结果 根据步骤和任务进行，仿真结果如图５所示。仿真过程中
设置４个航程点，从起始点开始按航点序号依次飞行，地面站 电子地图上实时显示飞行航迹。仿真飞行航迹显示，系统能跟 踪预定航线。图中飞行航迹有超调，符合飞行中的飞机惯性特 性。仿真结果验证了系统的正确性。
（４）闭环测试。在确保开环测试没有问题的情况下，连接 各子系统形成闭环仿真。由面站规划航线，通过无线电发送给
堂熊潮攘：网 万方数据 ｃ均事ｎ矗辫氟斑ｅ嚣．ｅｎ
箜！塑
壹垄墨：箜！茎型垂△垫呈堕！兰笙壅笙堡盐皇垡塞
：！！！：
导航，导航根据航线产生控制量，飞控根据控制量驱动舵机跟 踪航线，实现自主飞行。 ３．２仿真任务
中圈分类号：ＴＰ２７３
文献标识码：Ａ
某型无人机导航／飞控系统设计与仿真
高建尧，卢京潮，闰建国
（西北工业大学自动化学院，陕西西安 ７１００７２）
摘要：某型无人机以ＤＳＰ为核心部件，介绍了其导航／飞控系统硬件设计、结构，其中主要包括数据采集、数据通信，介绍了导航／ 飞控软件，给出流程框图，设计了用于验证该系统的仿真系统；仿真系统引人大气模拟系统和ＧＰＳ模拟系统，介绍大气模拟系统结构原 理和ＧＰＳ工作原理，仿真各子系统之间采用ＣＡＮ总线进行连接，并且挂载真实舵机，检测舵机偏转检测，形成负反馈；最后，给出系 统仿真步骤和仿真内容，得出仿真结果，验证该系统可行、正确。
ｔｅｒｎ ｉｓ ｄｅｓｉｇｎｅｄ ｗｈｅｒｅ ｔｈｅ ａｉｒ ｄａｔａ ｓｙｓｔｅｍ ａｎｄ ＧＰＳ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ ａｒｅ ｂｒｏｕｇｈｔ ｉｎ．Ｔｈｅ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ｏｆ ｔｈｅ ｔｗｏ ｓｙｓｔｅｍｓ ｉｓ ｅｘｐｌａｉｎｅｄ．Ｔｈｅ ｓｕｂ —ｓｙｓｔｅｍｓ ｏｆ ｔｈｅ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ ａｒｅ ｃｏｎｎｅｃｔｅｄ ｔｏ ｅａｃｈ ｏｔｈｅｒ ｔｈｒｏｕｇｈ ＣＡＮ—ｂｕｓ，ｒｅａｌ ｓｅｒｖｏｓ ａｒｅ ｂｒｏｕｇｈｔ ｉｎｔｏ ｔｈｅ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ ａｎｄ ａ ｆｅｅｄｂａｃｋ ｓｙｓｔｅｍ ｉｓ ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ。Ａｔ ｔｈｅ ｅｎｄ，ｔｈｅ ｐｒｏｃｅｓｓ ａｎｄ ｃｏｎｔｅｎｔ ｏｆ ｔｈｅ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ａｒｅ ｐｕｔ ｕｐ ａｎｄ ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ａｒｅ ｇｉｖｅｎ ｗｈｉｃｈ ｓｈｏｗ ｔｈｅ ｎａｖｉｇａｔｉｏｎ ａｎｄ ｆｌｉｇｈｔ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ ｉｓ ｆｅａｓｉｂｌｅ ａｎｄ ｃｏｒｒｅｃｔ．
万方数据
拟真实飞行，地面站采用无线电收发板与飞控／导航系统进行 无线电通讯，完成飞控导航指令的发送和飞行状态数据的接收 和显示；其他各部分系统采用ＣＡＮ总线相互连接进行通讯。 ＣＡＮ总线具有操作方便，通讯实时高效的特点，可以满足各 部份系统的要求。 １．２导航／飞控硬件设计
导航／飞控系统是整个仿真的中心也是实际飞行的核心， 担负着航迹规划、数据采集、控制律计算，故障检测等重要任 务，决定着飞行稳定和安全性。针对某型无人机研制任务的要 求，硬件上采用ＴＭＳ３２０Ｆ２８ｘｘ型号ＤＳＰ为主要处理部件。 Ｆ２８ｘｘＤＳＰ含有丰富的外围设备，包括１６路１２位ＡＤ、多种 串口外围设备及其他丰富的片上资源，其主频高达１５０ ＭＨｚ， 完全满足本系统的要求。 １．２。１ 数据采集口］
４ 结论
文中所述导航／飞控仿真系统，引入了ＧＰＳ模拟系统和大 气模拟系统，使系统更能模拟实际飞行。ＣＡＮ总线的运用， 解决了各个子系统间的复杂通讯问题，使多子系统之间的通讯 简单、可靠、高效。同时，本文也验证了文中导航／飞控系统 的可行性和正确性。本仿真系统也适用于类似的无人机导航／ 系统飞控验证，具有一定的工程价值，并且可为其他仿真系统 提供借鉴。
图３大气模拟工作示意图
１．４其他系统 整个仿真系统还包括飞机模型计算机，飞机模型计算机用
于解算飞机状态。根据飞机模型，按照采样时间离散化后下载 到计算机中。计算机获得飞控输出舵偏转角控制量，经模型解 算输出飞机响应状态，反馈给飞控形成闭环控制。
ＧＰＳ是现今无人机高精度可靠飞行的主要手段，仿真情 况下无法实时获得ＧＰＳ定位信息，因而需要建立ＧＰＳ模拟系 统，模拟实际飞行，同时也能全面测试系统。ＧＰＳ模拟系统 根据ＧＰＳ组帧格式，依据导航航程推算得出的位置信息，加 上适当的误差，按照每秒一帧的频率向导航系统输入经纬度、 高度，地速等主要信息，以标准ＮＭＥＡ格式组帧并发送。 ２系统软件设计
本系统主要包括以下主要部分：地面站、ＧＰＳ模拟系统、 大气模拟系统、导航飞控系统、飞机模型计算机等，连接示意 图如图１所示。由图可见，为验证设计的导航／飞控系统，模
图１仿真总体示意图
收稿日期：２００５—１０—２５：修回日期：２００５—１２—０７。 作者简介：高建尧（１９８１一），男，浙江龙游人，硕士生，主要从事控制 理论、控制工程、无人机导航与控制等方向的研究。
图４导航飞控软件流程
３ 仿真 ． 如图１连接各部分子系统后，挂载真实舵机并连接模型飞
机便于检测舵机偏转方向及角度是否正确，并形成闭环系统。 导航／飞控系统调试并验证完成之前，考虑到安全问题，不适 合进行实际飞行，因而无法给出飞机动态的各种响应状态。为 此，在飞控系统向舵机输出ＰＷＭ信号的，同时检测舵机实际 偏转角度并通过ＣＡＮ总线将值发送到飞机模型计算机，进行 模型解算，解算后的飞机响应由模型计算机以广播的方式传送 到ＣＡＮ总线上，飞控系统从ＣＡＮ总线上获取飞机响应形成 负反馈控制；在此过程中，大气数据也从ＣＡＮ总线上获取期 望空速、高度经计算输出后作用于飞控的空速、高度传感器， 实现近乎真实的模拟飞行。在整个仿真系统中，飞控／导航系 统以及舵机等都是真实机载系统。 ３．１仿真步骤
Ｆ２８ｘｘ自带的ＡＤ具有１２位精度，实际有效精度为ｌＯ 位，用于采集精度较低而又不影响整体系统质量的飞行状态 量，如油门开度、发电机电平、温度等。在小扰动下飞行和机 动飞行时３个轴向的速率，位置变化范围比较大，要求精度较 高，为此选用ＡＤＳ８３６４进行采集。ＡＤＳ６３６４含６路差分输入、 １６位转换有效精度１４位的ＡＤ通道，芯片自带队列缓存 （ＦＩＦｏ），能有效防止数据丢失，进行高速、高精度转换，最 大限度的满足系统要求。其系统硬件连接图如图２所示。 １．２．２系统数据通讯
参考文献： Ｅｌｉ张明廉．飞行控制系统ＥＭ］．北京：航空工业出版社，１９９４．
Ｅ２］屈耀红．某型无入机的定位与导航控制研究ＥＤ］．西安：西北工业 大学，２００２．
（１）为保证各部分连接时能正常工作，需保证各部分子系 统工作正常。独立各部分子系统，分别测试；
（２）脱离飞控系统和飞机模型等，只连接地面站和导航系 统，以验证导航各部分功能，此时，导航输出控制量作为导航 输入量，自身形成反馈；
（３）再连接飞控系统和模型飞机，开环测试导航／飞控系 统，通过舵机偏转方向正确与否判定系统是否正常可靠；
大气模拟系统目的在于模拟提供飞机飞行中空速和高度， 给飞机空速传感器和高度传感器提供一定的压力，使相应的控 制环节使飞机在静态调整空速、高度。模拟系统由高精度气压 传感器，气压阀门，储压装置，气压泵以及计算机控制系统组 成。给定一定压力，计算机通过Ｄ／Ａ输出控制信号，打开压 力阀门向储压装置冲气，由压力传感器测得压力值经Ａ／Ｄ采 集与给定压力相比较形成闭环反馈控制，其框图如图３所示。 储压装置与飞控空速、高度传感器相连。
为保证系统稳定可靠，导航与飞控不相互铰链。为保证导 航精度，考虑到导航滤波采用单独的ＣＰＵ用于导航计算，保 证计算的实时和可靠性，同时担负任务管理。导航ＣＰＵ需与 外部地面站、任务设备及ＧＰＳ接收机进行通讯，其中ＧＰＳ信
中华测潼阚
·７６０·
计算机测量与控制
第６期
图２飞控／导航硬件连接示意图
号可靠接收占有重要地位，选用外扩串口收发芯片ＴＬｌ６Ｃ７５ 进行通讯。ＴＬｌ６Ｃ７５含有６４级ＦＩＦＯ，独立的收发通道。为 保证ＧＰＳ接收优先性，采用中断接收并占用Ｆ２８ｘｘ高优先级 外部中断。在接收地面无线电以及与机载任务设备通讯时，采 用ＲＳ４２２接口与导航ＣＰＵ相连。ＲＳ４２２采用差动、低误码率 高速传输，能有效的降低通讯噪声。无线电接收板选用Ｍａｘ— Ｓｔｒｅａｍ ＯＥＭ通讯模块。导航ＣＰＵ将接收到的信息解码、滤 波，进行导航计算得到位置信息并通过数据交换存储区向飞控 计算机传送控制指令。飞控ＣＰＵ同时将采集处理后的姿态信 号通过数据交换存储区回传给导航系统，经由无线电下发给地 面站实时进行显示和分析。 １．３大气模拟系统
各个子系统分别有各自的软件，其中核心是导航／飞控软 件。导航／飞控软件流程如图４所示。导航模块分为中断非中 断两大块，中断中进行飞机航位推算、信息融合、目标点到达
判断以及导航控制律计算，信息融合采用常值卡尔曼进行滤波 融合。非中断程序中将接收到的地面、ＧＰＳ、任务设备信息进 行解码，信息的接收采用中断和查询相结合的方式接收；判断 并进行航线切换；根据飞行任务进行任务管理；完成与地面、 任务设备的通讯。飞控模块主要为定时中断，在中断中采集数 据，采集姿态数据，简单滤波后参与控制律计算；指令读取主 要读取导航的控制指令，执行自动或手动控制；经控制律计算 后向舵机输出ＰＷＭ信号，完成对飞机的稳定Biblioteka Baidu控制。软件在 ＴＩ提供的ＣＣＳ环境下编写，编译后通过ＪＴＡＧ接口下载到 ＤＳＰ中。系统的其他部分软件在ＶＣ＋＋６．０环境下编译完成。 ＧＰＳ模拟系统主要任务是提取位置信息并融入一定的白噪声 误差，根据ＮＭＥＡ标准，组帧并将数值转化为字符，定时并 通过异步串口输出，其中的关键在于将数值型数据按一定的规 则转化为字符。地面站主要完成飞行姿态、状态监测，飞行指 令控制及航迹显示等功能。在与导航／飞控的通讯上采用问答 方式，并设有通讯链路防断保护，即在两个节拍内没有收到回 传信息主动复位链路。
关键词：无人机；导航／飞控系统；仿真；ＣＡＮ总线
ＮａＶｉｇａｔｉｏｎ／Ｆｌｉｇｈｔ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｓｙｓｔｅｍ Ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ Ｃｅｒｔａｉｎ ＵＡＶ
Ｇａｏ Ｊｉａｎｙａｏ，Ｌｕ Ｊｉｎｇｃｈａｏ，Ｙａｎ Ｊｉａｎｇｕｏ （Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ，Ｎｏｒｔｈｗｅｓｔｅｒｎ Ｐｏｌｙｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｘｉ＇ａｎ ７１００７２，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｈａｒｄｗａｒｅ ｏｆ ｃｅｒｔａｉｎ ＵＡＶ ｉｓ ｂａｓｅｄ ｏｎ ＤＳＰ．Ｔｈｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｆ ｎａｖｉｇａｔｉｏｎ／ｆｌｉｇｈｔ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ ｍａｉｎｌｙ ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ ｄａｔａ ａｃｑｕｉ— ｓｉｔｉｏｎ ａｎｄ ｄａｔａ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ ｉｓ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ．Ｔｈｅ ｓｏｆｔｗａｒｅ ｏｆ ｎａｖｉｇａｔｉｏｎ／ｆｌｉｇｈｔ ｃｏｎｔｒｏｌ ａｎｄ ｔｈｅ ｆｌｏｗｃｈａｒｔ ａｒｅ ｇｉｖｅｎ ａｓ ｗｅｌｌ．Ａ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｓｙｓ—
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ＵＡＶ；ｎａｖｉｇａｔｉｏｎ／ｆｌｉｇｈｔ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ；ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ；ＣＡＮ—ｂｕｓ
Ｏ 引言 随着航空事业的发展，无人机的研制和使用越来越受到人
们的重视，元人机以其体积小、成本低、多用途和可复用等特 点成为关注的焦点。导航／飞控系统是无人机实现自主飞行的 核心内容，如何设计并验证导航／飞控系统设计的稳定、可靠 性而又不需要花费大量人力、物力进行实际飞行承担风险，成 为工程研制得重要课题。基于以上考虑，本文一方面介绍导航 ／飞控系统，另一方面根据所研制的导航／飞控系统，设计了一 套能够替代实际飞行，而又最大限度的模拟实际飞行的仿真系 统，并对所设计导航／飞控系统进行仿真验证。 １ 系统设计与实现 １．１总体设计
．（１）自主飞行：地面规划好航线后，由导航／飞控系统自 主完成飞行任务；
（２）人工干预：由地面根据飞行任务，手动调整飞行航向 和飞行方式，导航／飞控系统只起到飞行增稳和数据传输的功 能。
３．３仿真结果 根据步骤和任务进行，仿真结果如图５所示。仿真过程中
设置４个航程点，从起始点开始按航点序号依次飞行，地面站 电子地图上实时显示飞行航迹。仿真飞行航迹显示，系统能跟 踪预定航线。图中飞行航迹有超调，符合飞行中的飞机惯性特 性。仿真结果验证了系统的正确性。
（４）闭环测试。在确保开环测试没有问题的情况下，连接 各子系统形成闭环仿真。由面站规划航线，通过无线电发送给
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箜！塑
壹垄墨：箜！茎型垂△垫呈堕！兰笙壅笙堡盐皇垡塞
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导航，导航根据航线产生控制量，飞控根据控制量驱动舵机跟 踪航线，实现自主飞行。 ３．２仿真任务