無人機(jī)光傳飛控系統(tǒng)技術(shù)研究*

彭永濤，劉 林，樊戰(zhàn)旗

（1西安飛行自動(dòng)控制研究所，西安 710065;2飛行器控制一體化技術(shù)國防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710065）

0 引言

光傳飛行控制系統(tǒng)（fly-by-light）是使用光傳技術(shù)實(shí)現(xiàn)飛機(jī)飛行控制功能的系統(tǒng)。相比電傳控制系統(tǒng)，光傳控制系統(tǒng)可以有效防御干擾和電磁沖擊，并具有體積小、重量輕、傳輸容量大等優(yōu)點(diǎn)，從而提高了飛行控制系統(tǒng)的可靠性，大大改善了飛機(jī)的操縱品質(zhì)。當(dāng)前國外對(duì)光傳飛控系統(tǒng)的研究已進(jìn)入實(shí)際應(yīng)用階段，開始采用數(shù)字光傳、光傳數(shù)據(jù)總線等先進(jìn)技術(shù)。國內(nèi)對(duì)光傳飛控系統(tǒng)的研究基本停留在實(shí)驗(yàn)室光纖信號(hào)傳輸研究階段，技術(shù)成熟度基本處于TRL3。

文中通過對(duì)光傳飛控系統(tǒng)技術(shù)的研究，實(shí)踐光傳飛控系統(tǒng)頂層設(shè)計(jì)技術(shù)，形成面向工程化、產(chǎn)品化的光傳飛行控制系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)、余度管理、光總線網(wǎng)絡(luò)管理、部件設(shè)計(jì)等相關(guān)領(lǐng)域的設(shè)計(jì)技術(shù)基礎(chǔ)，建立了開放式可擴(kuò)展的光傳飛控系統(tǒng)試驗(yàn)驗(yàn)證平臺(tái)，并基于某無人機(jī)模型完成了系統(tǒng)地面綜合驗(yàn)證試驗(yàn)，推動(dòng)了國內(nèi)光傳飛行控制系統(tǒng)的技術(shù)成熟度（TRL4），加速了光傳系統(tǒng)的產(chǎn)品化，為后續(xù)光傳系統(tǒng)的技術(shù)開發(fā)和工程應(yīng)用奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

1 系統(tǒng)方案

文中設(shè)計(jì)的無人機(jī)光傳飛控系統(tǒng)采用多節(jié)點(diǎn)分布式雙余度結(jié)構(gòu)，為全時(shí)限、全權(quán)限三軸自動(dòng)飛行控制系統(tǒng)，具備自動(dòng)駕駛儀、飛行管理、余度管理、系統(tǒng)自檢測、飛行參數(shù)記錄等功能。

系統(tǒng)包括了計(jì)算機(jī)分系統(tǒng)、伺服作動(dòng)分系統(tǒng)、傳感器分系統(tǒng)。計(jì)算機(jī)分系統(tǒng)包括飛行控制與管理計(jì)算機(jī)、光接口適配計(jì)算機(jī)、光組件接口適配計(jì)算機(jī);伺服作動(dòng)分系統(tǒng)包括機(jī)電式作動(dòng)器和數(shù)字式舵機(jī)控制器;傳感器分系統(tǒng)包括導(dǎo)航系統(tǒng)、無線電高度表、大氣數(shù)據(jù)系統(tǒng)、GPS等。飛行控制與管理計(jì)算機(jī)、光接口適配計(jì)算機(jī)、光組件接口適配計(jì)算機(jī)、數(shù)字式舵機(jī)控制器采用雙余度配置;各電動(dòng)舵機(jī)采用電氣二余度、機(jī)械單余度配置;光位移傳感器集成在節(jié)風(fēng)門舵機(jī)中，采用雙余度配置。

系統(tǒng)軟件包括操作系統(tǒng)軟件、應(yīng)用軟件和飛行支持軟件。操作系統(tǒng)軟件包括I/O、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、中斷處理、任務(wù)調(diào)度軟件;應(yīng)用軟件包括控制律軟件、余度管理軟件、飛行管理軟件和BIT軟件;飛行支持軟件包括地面檢測軟件、飛行參數(shù)記錄與處理軟件。系統(tǒng)采用基于1394B總線協(xié)議的雙余度光總線，總線傳輸帶寬為400 Mbps。飛行控制與管理計(jì)算機(jī)、接口適配計(jì)算機(jī)以及3個(gè)舵機(jī)控制器之間通過光總線連接。系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 光傳飛控系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)

1.1 光總線

光傳系統(tǒng)采用符合AS5643軍用規(guī)范的1394B總線，雙余度配置，總線傳輸帶寬為400 Mbps。飛行控制與管理計(jì)算機(jī)、舵機(jī)控制器、接口適配計(jì)算機(jī)均作為總線上的節(jié)點(diǎn)掛接在1394B總線上，所有掛接在光總線上部件的通信都通過該總線完成。飛行控制與管理計(jì)算機(jī)作為1394B光總線的主控制器，負(fù)責(zé)整個(gè)光總線的管理，所有的1394B總線配置為環(huán)路用以提供冗余，當(dāng)一條光纖失效后，總線通信仍能保證。

光傳系統(tǒng)采用基于異步流包傳輸?shù)姆植际綐?gòu)架實(shí)現(xiàn)1394B總線在飛控系統(tǒng)中的應(yīng)用，并對(duì)1394B協(xié)議進(jìn)行了相應(yīng)擴(kuò)展以增強(qiáng)其實(shí)時(shí)性、可靠性。光傳系統(tǒng)采用的雙總線主備式工作機(jī)制，降低了系統(tǒng)各部件邏輯耦合程度，增強(qiáng)了系統(tǒng)容錯(cuò)能力，可擴(kuò)展性強(qiáng)。

1.2 飛行控制與管理計(jì)算機(jī)

飛行控制與管理計(jì)算機(jī)作為無人機(jī)光傳飛控系統(tǒng)的核心，需要完成航線裝訂和編輯、自動(dòng)導(dǎo)引、控制律解算、飛行模態(tài)控制與轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)采集、余度管理、故障檢測與處理、伺服控制指令輸出等任務(wù)，因此計(jì)算機(jī)系統(tǒng)需要具有高速運(yùn)算能力和較高的運(yùn)算精度。

飛行控制與管理計(jì)算機(jī)采用處理器和接口雙余度配置，兩個(gè)余度的所有資源均掛接在背板總線上。背板總線采用滿足時(shí)間觸發(fā)協(xié)議的雙余度自監(jiān)控串行1394B光背板總線，總線傳輸速率為400 Mbps。飛行控制與管理計(jì)算機(jī)內(nèi)部包括兩塊處理器/總線管理板和兩塊總線接口/數(shù)據(jù)記錄板，各功能板均為智能節(jié)點(diǎn)含有處理器或微控制器，對(duì)功能板上的信號(hào)進(jìn)行調(diào)理和監(jiān)控，節(jié)點(diǎn)間以數(shù)字量的方式通過串行背板總線進(jìn)行傳輸。

1.3 接口適配計(jì)算機(jī)

接口適配計(jì)算機(jī)采用雙余度配置，主要實(shí)現(xiàn)所有與飛行控制與管理計(jì)算機(jī)相連設(shè)備的各種信號(hào)和1394B光總線信號(hào)相互轉(zhuǎn)換，以滿足雙余度無人機(jī)光傳飛控系統(tǒng)的要求。

1.4 舵機(jī)控制器

無人機(jī)光傳飛控系統(tǒng)共包括3個(gè)舵機(jī)控制器，通過1394B光總線接口完成與飛行控制與管理計(jì)算機(jī)的信息交互，實(shí)現(xiàn)對(duì)各電動(dòng)舵機(jī)的控制。舵機(jī)控制器通過1394B光總線接收飛行控制與管理計(jì)算機(jī)對(duì)于舵面和發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)風(fēng)門的數(shù)字控制指令，經(jīng)過處理后驅(qū)動(dòng)其操縱機(jī)構(gòu)，使舵面和節(jié)風(fēng)門進(jìn)行相應(yīng)的偏轉(zhuǎn)。同時(shí)舵機(jī)控制器將采集到的各個(gè)舵機(jī)的狀態(tài)信息通過1394B光總線發(fā)送給飛行控制與管理計(jì)算機(jī)。舵機(jī)控制器1用于控制升降舵機(jī)和方向舵機(jī)，舵機(jī)控制器2用于控制副翼舵機(jī)和前輪舵機(jī)，舵機(jī)控制器3用于控制發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)風(fēng)門舵機(jī)。

1.5 電動(dòng)舵機(jī)

升降舵、方向舵、副翼、前輪舵機(jī)均采用直流無刷電動(dòng)舵機(jī)，PWM工作方式，采用雙電機(jī)共輸出軸的方式。節(jié)風(fēng)門舵機(jī)為含波長編碼光信號(hào)位移傳感器的一體化數(shù)字伺服舵機(jī)，其工作方式與其它4個(gè)舵機(jī)相同，光位移傳感器完成節(jié)風(fēng)門舵機(jī)的位置采集。在舵機(jī)控制器的控制下，5個(gè)電動(dòng)舵機(jī)對(duì)計(jì)算機(jī)的指令進(jìn)行精確跟隨。

1.6 光組件適配計(jì)算機(jī)

光組件適配計(jì)算機(jī)采用雙余度配置，包括白光光源、光譜解調(diào)儀及光信號(hào)角度處理計(jì)算機(jī)三大部分，實(shí)現(xiàn)了光信號(hào)從輸入到數(shù)字角度信號(hào)輸出所需設(shè)備的集成，該機(jī)箱采用最短光路傳輸設(shè)計(jì)，減少了光信號(hào)衰減。

文中所用的光位移傳感器為波長編碼光位移傳感器，是基于衍射光柵的光強(qiáng)分布特性設(shè)計(jì)而成的一種傳感器，衍射型波長編碼位移傳感器的工作原理如圖2所示。光傳感器在光傳飛控系統(tǒng)中用于測量節(jié)風(fēng)門舵機(jī)的位置，在節(jié)風(fēng)門舵機(jī)運(yùn)動(dòng)過程中，光組件適配計(jì)算機(jī)通過光路接收到光位移傳感器的位置信息后，通過光譜解調(diào)儀和光信號(hào)處理計(jì)算機(jī)將位移信號(hào)處理成數(shù)字信號(hào)，并通過RS422串口將其發(fā)送給舵機(jī)控制器用于伺服回路控制。

圖2 衍射型波長編碼位移傳感器工作原理圖

2 系統(tǒng)綜合試驗(yàn)驗(yàn)證

建立了一套用于驗(yàn)證雙余度光傳飛控系統(tǒng)的試驗(yàn)環(huán)境，以進(jìn)行光傳飛控系統(tǒng)的開環(huán)試驗(yàn)、閉環(huán)試驗(yàn)和半物理綜合試驗(yàn)。整個(gè)試驗(yàn)環(huán)境以計(jì)算機(jī)、仿真資源、檢測資源為核心，包括系統(tǒng)綜合測試仿真設(shè)備、機(jī)載仿真設(shè)備、視景仿真設(shè)備、系統(tǒng)加載調(diào)試設(shè)備等。試驗(yàn)環(huán)境組成與交聯(lián)關(guān)系如圖3所示。

圖3 試驗(yàn)環(huán)境組成和交聯(lián)關(guān)系

以某無人機(jī)為控制對(duì)象，完成了光傳飛控系統(tǒng)的開環(huán)綜合試驗(yàn)、閉環(huán)綜合試驗(yàn)、半物理仿真試驗(yàn)。在無人機(jī)光傳飛控系統(tǒng)綜合試驗(yàn)驗(yàn)證過程中，飛行控制與管理計(jì)算機(jī)、伺服系統(tǒng)（電動(dòng)舵機(jī)和舵機(jī)控制器）、接口適配計(jì)算機(jī)、光位移傳感器、光組件適配計(jì)算機(jī)均采用實(shí)物樣機(jī)，傳感器與無人機(jī)通過數(shù)學(xué)仿真實(shí)現(xiàn)，完成了從起飛、航線飛行、進(jìn)場著陸的全過程自動(dòng)飛行控制。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

完成了無人機(jī)光傳飛控系統(tǒng)的地面綜合試驗(yàn)，利用開發(fā)的軟件對(duì)飛行數(shù)據(jù)進(jìn)行了記錄與分析。圖4是光傳系統(tǒng)的無人機(jī)起飛階段的俯仰角、無線電高度、發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)風(fēng)門舵機(jī)位置、飛機(jī)空速、升降舵舵機(jī)位置、副翼舵機(jī)位置，其中ins-THAER表示俯仰角，RH表示無線電高度，dtp表示節(jié)風(fēng)門舵機(jī)位置，ins-V表示飛機(jī)空速，dtz表示升降舵舵機(jī)位置，dtx表示副翼舵機(jī)位置。圖5是電傳系統(tǒng)的無人機(jī)起飛階段的俯仰角、無線電高度、發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)風(fēng)門舵機(jī)位置、飛機(jī)空速、升降舵舵機(jī)位置、副翼舵機(jī)位置。通過對(duì)比可以看到，光傳飛控系統(tǒng)與電傳飛控系統(tǒng)的飛行指令幾乎完全一致，開發(fā)實(shí)現(xiàn)的光傳飛控系統(tǒng)的性能達(dá)到了該無人機(jī)電傳控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求。

圖4 光傳飛控系統(tǒng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)曲線

圖5 電傳飛控系統(tǒng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)曲線

4 結(jié)論

文中設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的雙余度光傳飛控系統(tǒng)基于IEEE-1394B總線協(xié)議的開放式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，具備很強(qiáng)的功能擴(kuò)展性和高帶寬信息傳輸能力。完成了雙余度光傳飛控系統(tǒng)的系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)、部件研制和地面綜合試驗(yàn)驗(yàn)證，突破了分布式余度光傳飛控系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)及驗(yàn)證、雙余度高帶寬光傳數(shù)據(jù)總線傳輸及總線結(jié)構(gòu)管理、光傳飛控系統(tǒng)工程樣機(jī)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)等技術(shù)難題，設(shè)計(jì)了光傳飛控系統(tǒng)研制流程與規(guī)范。通過實(shí)踐無人機(jī)光傳飛控系統(tǒng)頂層設(shè)計(jì)技術(shù)，形成了光傳飛控系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)、余度管理、網(wǎng)絡(luò)管理、部件設(shè)計(jì)、系統(tǒng)綜合、試驗(yàn)驗(yàn)證等相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)基礎(chǔ)。

為了推動(dòng)光傳飛控系統(tǒng)的工程化水平，后續(xù)需要進(jìn)一步開展光傳飛控系統(tǒng)工程化實(shí)現(xiàn)和驗(yàn)證方法的研究;繼續(xù)開展光傳系統(tǒng)環(huán)境適應(yīng)性的研究，包括未來先進(jìn)戰(zhàn)機(jī)的使用環(huán)境條件;開展基于分布式體系架構(gòu)的光傳飛控系統(tǒng)技術(shù)研究，形成通用的分布式光傳飛控系統(tǒng)試驗(yàn)驗(yàn)證平臺(tái)。

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