无人驾驶靶机飞行控制系统设计

无人驾驶靶机飞行控制系统设计

2010-06-22 15:39:08 作者：admin来源：

介绍了无人驾驶靶机的飞行控制系统，详细讨论了系统的功能、基本组成、自动驾驶仪控制规律、发动机控制原理、回收控制方案及系统软件设计等。

靶机是无人机的一种主要类型，其作用在平时可应用于防空武器系统的试验鉴定；在战时，可用作诱饵或假目标。90年代中期由我单位设计定型的某型号无人靶机采用小型活塞式发动机，固体火箭助推起飞，伞降回收方式，具有良好的战场机动。该靶机的飞行控制系统采用比例式数模混合控制方案，把变参数控制方法应用于飞机姿态角和高度的控制规律中，使飞机在动态气压、高度、阵风等环境变化扰动的不良条件下，都有良好的稳定性和飞行品质，同时，该控制系统中的发动机控制，回收控制方案合理，可靠性高，本文介绍该靶机飞行控制系统的功能、基本组成、控制原理以及系统软件设计等。

1 系统基本功能及组成

系统功能如下：

①稳定飞机的俯仰角、倾斜角、航向角，保证飞机在给定气压高度上飞行，在飞行过程中，给定的气压高度值可连续改变；

②操纵飞机按给定的俯仰角、倾斜角、航向角飞行，在飞行过程中，俯仰角和倾斜角随飞行高度变化而自动调整，定向角度值可在0～360°范围内任意设定；

③随着飞行高度和飞行速度变化自动改变控制参数；

④接收和执行遥控指令，改变飞行状态，执行放拖靶，投放诱饵弹，点燃曳光弹等作业任务；

⑤采集飞行状态参数，发送给遥测调制器及发射机，下传至地面控制站；

⑥飞行航线可预编程，并且具有自动返航功能，在无线电控制范围内，能控制飞机自动

飞回地面控制站上空；

⑦进行发动机控制，回收控制及飞行故障的应急处理。

该系统由垂直陀螺、高度空速传感器、航向传感器、飞行控制计算机、舵机、电源、整机电缆等组成，如图1所示。

图1 飞行控制系统组成框图

2 系统控制原理

2．1 自动驾驶仪控制规律

在略去舵回路惯性后，控制系统纵向和横向两个通道自动驾驶仪调节规律如下：

(1)

(2)

式中：δz为升降舵偏角；δx为副翼舵偏角；K为各被控量的比例系数；θ0为俯仰角稳定基准（数字量）；γ0为倾斜角稳定基准（数字量）；Ψ0为航向角稳定基准（数字量）；H0为高度稳定基准（数字量）；H为高度信号（数字量）；H1为盘旋时高度补偿信号（数字量）；Ψ为航向角信号（数字量）；θ为俯仰角信号（模拟量）；γ为倾斜角信号（模拟量）；俯仰角速度信号（模拟量）；倾斜角速度信号（模拟量）。

由上两式可知，该控制系统为双通道比例式数模混合自动驾驶仪，控制方程中的比例系数根据仿真结果和实际飞行试验数据选定，为了使飞机在不同的动、静压条件下，具有良好的飞行稳定性和飞行品质，方程中的控制参数随不同的动静压条件而变化。

2.2 发动机控制原理

发动机控制原理如图2所示。

图2 发动机控制框图

地面控制站发出的发动机转速比例指令由遥控信道送至机载飞行控制计算机，飞行控制计算机将计算好的控制数据送入D／A转换器，经放大后控制风门调节器运动。发动机转速信号由转速传感器送入飞行控制计算机，组成闭环控制回路，同时将此参数经由遥测信道下传至地面控制站。

当飞机要回收时，遥控发出停车指令，此信号经放大变换后带动停车继电器工作，控制

发动机点火信号，使发动机停车。

2．3 回收控制原理

回收控制信号有指令回收和自动回收两种，自动回收控制信号又分为高度故障回收和姿态角超限回收。当飞机在预定高度上飞行时，飞机掉高度超过200 m或者当飞机的姿态角超过60°时即启动自动回收电路，回收控制框图如图3所示。

图3 回收控制框图

回收时，由飞行控制计算机发出停车和开伞信号，执行机构动作，飞机停车，放减震器，同时打开降落伞，经过8 s延迟，输出切伞信号，当飞机落地时，触地开关闭合，飞机抛掉降落伞，回收过程结束。

3 系统软件设计

系统中的核心设备——飞行控制计算机采用8031单片机，程序用汇编语言编写。系统软件设计采用模块化结构，由主程序、遥测中断、遥控中断、遥测中断服务程序用于将编好的飞机状态参数发送给遥测发射机，下传至地面控制站。

遥控中断服务程序功能是将遥控接收机传来的数据进行译码。

定时中断服务程序是机上时钟，用于周期性的事务处理。

主程序是系统软件的核心模块，它完成定高、定向控制数据的计算，设置系统控制模态，

根据动、静压条件改变控制参数，采集飞机状态参数，完成自动返航或预编程飞行，进行自动回收等应急处理，主程序框图如图4所示。

图4 主程序流程图

为提高可靠性，软件采取了许多抗干扰措施，如输入通道的数字滤波法，输出通道的重复赋值法，CPU指令冗余法，watchdog法，软件陷井法等。

4 结束语

该控制系统应用在我单位某型号靶机上，先后在空军某基地和海军某训练场进行了实弹

打靶试验，结果表明：该系统方案设计合理，对靶机控制灵活，平稳，飞行航线精度高，系统可靠性高，操作简单，维修性好，稍加改造，还可应用于其他无人驾驶机上，具有广阔前景。

作者单位：西安市西北工业大学365所（710072）

参考文献

[1]文传源主编.现代飞行控制系统.北京航空航天大学出版社，1992

[2]刘植桢主编.微型机控制系统设计工程.北京清华大学出版社，1992

关键词：靶机控制系统飞行

摘要本文详细讨论了长空无人机起飞车航向稳定系统。内容包括系统的基本构成, 系统的工

作原理, 点刹形成的原因> 系统抗干扰能力及稳定精度的仿真试验, 系统中典型电路工作原理的

介绍, 系统的调试方法及注意事项。最后给出一组有代表性的滑行试验数据。结果说明系统抗干

扰能力强、稳定精度达到了设计要求。

关键词/ 无人驾驶飞机, 稳定性, 航向, 起飞车, 滑行试验

中图分类号/ ? : ≅∀

符号定义

砂航向偏移角