一种小型无人机飞控导航系统

一种小型智能化无人机飞控导航系统

随着高新技术在武器装备上的广泛应用，无人机的研制正在取得突破性的进展。世界上最近发生的几次局部战争，凸现出无人机在军事上的实用性。然而，飞控导航系统作为无人机的大脑和神经，在无人机的任务过程中扮演着关键角色。如何设计高可靠和智能化的飞控导航系统，是无人机设计师的终极目标。

目前，国内在起飞重量不超过300kg级的无人机上，飞行控制系统多采用PC104计算机结构或基于单片机两种分立式方案，重量重，体积大，集成化能力差。无人机的飞行控制主要采取两种形式：第一种是采取预先编制的控制程序，来自动控制飞行；第二种是由设置在地面、空中或舰船上的遥控指挥站来指挥。本文要给出了一种基于DSP集成式结构的小型智能型无人机导航飞控设计方案，将两种控制方式进行了有机结合，并已应用于某小型无人机上。经过试验，证明了该方法的可行性，为今后小型化、低成本无人机自动驾驶仪的设计提供了一种新的思路。

1. 系统设计原则

无人机系统应首先具备完整的惯性系统和定位系统，其次应当具有完备的飞行任务管理功能。为了增强飞行控制功能，应当保证不同飞行指令下的多模式的飞行控制能力，以便在人机交互的同时对飞机的稳定进行控制，

进行系统设计时，应当遵循在保证性能的同时尽量减小系统重量和缩小体积，硬件电路设计力求简捷和直接。要求性能与成本兼顾，并保证系统的可靠性。

2. 系统结构介绍

整个无人机系统由GPS/GLONASS接收天线及接收机、机载传感器、无线电接收系统、DSP机载计算机以及执行机构五部分组成。系统功能结构模块如图1所示。

其中GPS/GLONASS接收模块选用微小型接收装置；机载姿态传感器选用贴片式芯片；为了保证自主导航飞行时航向的精度，除了选取航向传感器外，还应用了一个光纤陀螺；无线电接收系统指的是无线电定位及与地面站（GCS）通讯时数据链路的机载接收装置；机载计算机包括3个DSP处理器：GPS接收解码DSP，导航DSP和飞控DSP；舵机选用Futaba专用舵机。整个飞控导航系统体积仅为180×120×70 mm，总重量不超过1.5kg（包含安装壳

体），如图2所示。

飞控/导航系统分为飞控/导航组合、空速管、

驱动信号放大器、伺服舵机四部分。飞控/导航组

合以两个协调工作的微型DSP计算机MP和FP

为核心，MP计算机用于导航和任务控制以及与

地面控制站的通讯；FP飞行控制计算机用于飞机

的飞行控制和增稳控制；另有一DSP处理器专门

负责GPS信息的接收。舵机的控制由飞控DSP

图2 飞控导航系统

采用PWM（脉宽调制）波来实现，因为PWM波

控制方案适用于对各种脉宽信号控制的扭矩舵机进行控制。三个DSP计算机与系统传感器集成为一体。

3. 飞行控制与管理

飞行控制与管理包括以下功能：

1）姿态角的稳定控制。包括俯仰角稳定与控制、倾斜角稳定与控制、航向角稳定与控制；

2）高度控制。飞行过程在巡航阶段需要进行高度稳定与控制；

3）飞行轨迹控制。采用偏航角与偏航距进行航迹的跟踪控制；

4）发动机状态控制（风门控制）；

5）人工遥控。系统能够从完全自主程控状态下切换到飞行过程中所需的人工操纵飞行；

6） 多点程序控制的全航向飞行自主控制；

7） 航迹自主控制和组合导航控制；

8） 应急控制：测控通讯信号中断后，在规定的时间内通讯仍不能恢复，自动飞

到预定高度盘旋待机；如一段时间后通讯仍不能恢复，则返回预定的空域盘 旋待机；

9） 起飞与回收控制；

10） 机载测控与信息传输系统能传递飞机状态、仪器设备工作状态、发动机工

作状态、机载电源状态等遥测数据信息。

无人机导航与飞控的关系如图3所示。

4. 软件设计方案

4.1 导航控制的设计

利用Tornado C 编程环境研制导航定位系统应用软件。运行于抢占式多任务环境，实时性强。

图3无人机导航飞控关系框图

定位与导航软件主要完成以下功能：

1） 解码DSP 计算机与GPS 数据之间的通讯，包括定位数据的接收，GPS 控

制命令的发送、定位数据的处理；

2） 导航DSP 计算机进行航迹控制系统控制量的计算；

3） 在导航控制量计算的同时，需要利用机载传感器进行航程推算（DR ）； 驾驶仪

自主导航 自动 驾驶仪 基本 控制器

传感器

阻尼器 风场

舵机

4）为了减少风场干扰，需要对风场进行估计（WE），并利用估计的风场进行航位修正；

5）导航模式的调度，包括导航任务规划、多种导航模式相互间的切换；

6）导航DSP计算机与飞行控制DSP计算机数据通讯。

图4 定位与导航系统软件框图

自动航迹控制和组合导航功能设计是本无人机智能化的一个重要体现。无人机导航时采用三种组合导航的方式来互相弥补。一般来说，由于GPS定位精度较高所以作为优先选用的对象。然而，众所周知，GPS受制于美国政府不能作为战时的唯一导航资源，因此需采用航程推算、无线电定位和GPS组合的方式来实现无人机的导航。利用故障检测和程序控制实现三种组合导航方式的自动转换；在正常情况下采用GPS/航程推算组合导航方式，当GPS受干扰或出现故障时，根据具体情况转换到其它两种方式中的任何一种。最后在建立了无人机的运动学数学模型的基础上，对导航数据进行卡尔曼滤波，从而提高了无人机的导航精度。

4.2飞控系统的设计

飞行控制系统主要是实现高度、航向、发动机油门的控制以及无人机姿态的稳

定，同时为了便于控制的灵活性，本系统还设置了一个手遥控制和程序自主控制的切换模块，用遥控或程控方式指挥无人机完成预期的作业任务。

飞控系统软件功能顶层设计框图和决策控制关系如图5，图6所示：

图5飞控系统软件顶层设计

飞行状态

决策 决策控制子系统

手动驾驶 自动驾驶 发动机控制 起降控制 镜头控制

爬升 / 俯冲 水平 /

侧向 飞行 直线 / 盘旋 飞行 定向 / 航迹 飞行 返航飞行