中小型太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)航電系統(tǒng)設(shè)計(jì)

賀文哲

摘 要：由于具有廣闊的應(yīng)用前景，高空長(zhǎng)航時(shí)太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)引起了研究人員的廣泛關(guān)注。綜合航電系統(tǒng)設(shè)計(jì)是太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)研制的關(guān)鍵技術(shù)之一。該文基于航電技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀，結(jié)合太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)自身特點(diǎn)，提出了一種中小型太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)航電系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，對(duì)能源、飛控、測(cè)控、載荷各子系統(tǒng)進(jìn)行了相關(guān)設(shè)計(jì)，并探討了電磁兼容與系統(tǒng)測(cè)試的相關(guān)問(wèn)題。

關(guān)鍵詞：太陽(yáng)能無(wú)人機(jī) 航電 飛控

中圖分類號(hào)：V27 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2017）01（a）-0013-03

無(wú)人機(jī)（Unmanned Aerial Vehicle，UAV）作為一種非接觸性戰(zhàn)斗工具，已經(jīng)在現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)中發(fā)揮了重要作用。太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)利用光伏電池將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為電能，通過(guò)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)螺旋槳產(chǎn)生飛行動(dòng)力。白天，太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)吸收太陽(yáng)光輻射能轉(zhuǎn)換為電能，維持動(dòng)力系統(tǒng)、航空電子設(shè)備和有效載荷的運(yùn)行，同時(shí)給機(jī)載二次電源充電；夜間，太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)釋放二次電源中儲(chǔ)存的電能，維持整個(gè)系統(tǒng)的正常運(yùn)行。如果白天儲(chǔ)存的能量能滿足夜間飛行的需要，則太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)理論上可以實(shí)現(xiàn)“永久”飛行[1]。

太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)的研發(fā)涉及學(xué)科眾多，包括總體、結(jié)構(gòu)、能源、航電等[2]。航電系統(tǒng)作為無(wú)人機(jī)的關(guān)鍵系統(tǒng)，為無(wú)人機(jī)提供必需的能源，管理和控制無(wú)人機(jī)的自主飛行，完成對(duì)無(wú)人機(jī)的導(dǎo)航、制導(dǎo)和控制，確保無(wú)人機(jī)按照預(yù)定的航線準(zhǔn)確、穩(wěn)定、可靠地飛行并執(zhí)行各種特定的任務(wù)。太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)航電系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)結(jié)合其自身特點(diǎn)，在充分利用循環(huán)能源的同時(shí)，引入模塊化設(shè)計(jì)思想，增加其可靠性與可擴(kuò)展性。

該文立足于中小型無(wú)人機(jī)航電系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀，結(jié)合太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)總體設(shè)計(jì)要求，設(shè)計(jì)了具備自主起降、自主巡航、自主執(zhí)行任務(wù)、手動(dòng)與自主控制切換、實(shí)時(shí)圖像傳輸?shù)裙δ艿木C合化、模塊化航電系統(tǒng)，并探討了系統(tǒng)電磁兼容與聯(lián)合調(diào)試過(guò)程中的關(guān)鍵問(wèn)題。

1 航電系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

1.1 航電系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)綜合航電系統(tǒng)需實(shí)現(xiàn)的功能包括：測(cè)量無(wú)人機(jī)當(dāng)前飛行狀態(tài)；通過(guò)控制作動(dòng)設(shè)備完成手動(dòng)或自主飛行；通過(guò)控制任務(wù)載荷完成特定任務(wù)。根據(jù)其功能性的不同，可將航電系統(tǒng)分為4個(gè)子系統(tǒng)：能源子系統(tǒng)、飛控子系統(tǒng)、測(cè)控子系統(tǒng)、載荷子系統(tǒng)[3]。其中，能源子系統(tǒng)為所有機(jī)載設(shè)備提供所需電力；飛控子系統(tǒng)根據(jù)機(jī)載傳感器所提供的測(cè)量數(shù)據(jù)，利用飛行控制算法解算執(zhí)行機(jī)構(gòu)當(dāng)前所需控制量，可完成無(wú)人機(jī)的自主飛行和遙控飛行；測(cè)控子系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)地面人員對(duì)無(wú)人機(jī)航路的實(shí)時(shí)規(guī)劃和對(duì)無(wú)人機(jī)當(dāng)前狀態(tài)的實(shí)時(shí)觀測(cè)，并可提供圖像的實(shí)時(shí)傳輸；任務(wù)載荷可根據(jù)具體任務(wù)進(jìn)行選配。

1.2 能源子系統(tǒng)設(shè)計(jì)

太陽(yáng)能電池的加入使得太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)能源子系統(tǒng)的構(gòu)成比其他類型無(wú)人機(jī)更復(fù)雜。如圖1所示，其主要由太陽(yáng)能電池陣、鋰電池、MPPT模塊、電源模塊和能源采集器構(gòu)成。

太陽(yáng)能電池陣是太陽(yáng)能飛機(jī)的主要能量來(lái)源，該文將太陽(yáng)能電池陣布置于無(wú)人機(jī)機(jī)翼上表面。太陽(yáng)能電池各片之間采取串聯(lián)方式，并兼顧走線方便的原則。飛機(jī)左側(cè)機(jī)翼的太陽(yáng)能電池片連接與其完全相同。最終，兩路太陽(yáng)能電池陣并聯(lián)成圖1中的太陽(yáng)能電池陣。

MPPT（Maximum Power Point Tracking）控制器用以協(xié)調(diào)太陽(yáng)能電池板、蓄電池與負(fù)載的工作。MPPT通過(guò)實(shí)時(shí)偵測(cè)太陽(yáng)能板的發(fā)電電壓，追蹤最高電壓電流值，使系統(tǒng)以最大功率輸出，在為用電設(shè)備供電的同時(shí)為蓄電池充電。能源采集器可采集4個(gè)電流傳感器、兩個(gè)電壓傳感器的測(cè)量數(shù)據(jù)，并發(fā)送給飛控計(jì)算機(jī)，用于監(jiān)測(cè)系統(tǒng)各支路的電壓電流狀態(tài)。不同電子設(shè)備的供電需求不同，需要通過(guò)電源模塊將MPPT中輸出的32 V電壓轉(zhuǎn)化為電子設(shè)備所需的16 V/12 V/5 V電壓。

1.3 飛控子系統(tǒng)設(shè)計(jì)

飛控子系統(tǒng)組成如圖2所示，主要包括飛行控制與管理計(jì)算機(jī)、傳感器組、作動(dòng)設(shè)備以及地面站設(shè)備，其中作動(dòng)設(shè)備兼容小型無(wú)人機(jī)常用的模型舵機(jī)。

飛行控制與管理計(jì)算機(jī)基于STM32單片機(jī)平臺(tái)自主研發(fā)，最多可支持10路PWM波信號(hào)輸出；通過(guò)RS232串行口與測(cè)控系統(tǒng)通信，從而實(shí)現(xiàn)與地面站之間的數(shù)據(jù)傳輸；集成多路外部接口（RS232、RS422、CAN總線），便于實(shí)現(xiàn)飛控系統(tǒng)的模塊化擴(kuò)展；采用集成、模塊化設(shè)計(jì)思路，將主控CPU、外圍電路以及供電控制繼電器等集成在一個(gè)殼體內(nèi)，對(duì)外采用統(tǒng)一接口航插。

飛行控制與管理計(jì)算機(jī)內(nèi)部采用先進(jìn)的非線性控制算法，對(duì)飛行器的縱向、橫向、側(cè)向3個(gè)通道進(jìn)行穩(wěn)定和解耦控制。在保證無(wú)人機(jī)飛行航向正確、姿態(tài)穩(wěn)定（此功能可有效提高飛行器抗風(fēng)能力）的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)高精度航跡和高度控制；引入自適應(yīng)控制技術(shù)，可以自動(dòng)適應(yīng)風(fēng)場(chǎng)擾動(dòng)；此外，還可以對(duì)攝像云臺(tái)進(jìn)行增穩(wěn)控制，在飛行器姿態(tài)波動(dòng)時(shí)，自動(dòng)控制云臺(tái)機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償，從而使攝像鏡頭始終保持固定角度，有效提升無(wú)人機(jī)獲取圖像情報(bào)的質(zhì)量。

1.4 測(cè)控子系統(tǒng)設(shè)計(jì)

測(cè)控子系統(tǒng)提供地面人員與無(wú)人機(jī)之間的通信橋梁，此外還提供視頻傳輸帶寬以滿足航測(cè)與偵查的任務(wù)需求。測(cè)控子系統(tǒng)采用應(yīng)用了單載波頻域均衡（SC-FDE）技術(shù)的視頻采集雙向收發(fā)設(shè)備：即在實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)到地面視頻/遙測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸?shù)耐瑫r(shí)，完成地面站遙控?cái)?shù)據(jù)向無(wú)人機(jī)的上行傳輸。系統(tǒng)配備高清編碼器與解碼器，將高清攝像頭拍攝畫面進(jìn)行壓縮傳輸，可支持720 p/1080 p高清視頻圖像傳輸；此外，系統(tǒng)采用一體化設(shè)計(jì)，只使用單根天線，容易安裝；無(wú)線通信使用340 MHz一個(gè)頻段，降低了和機(jī)上其他設(shè)備互相干擾的概率，也有利于無(wú)人機(jī)的電磁兼容。

1.5 載荷子系統(tǒng)設(shè)計(jì)

載荷子系統(tǒng)需根據(jù)太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)具體的應(yīng)用場(chǎng)景進(jìn)行設(shè)計(jì)。其可搭載載荷包括但不限于高清攝像機(jī)、多光譜光電吊艙、通信中繼基站、WIFI信號(hào)發(fā)射機(jī)及其他特種任務(wù)載荷。中小型太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)有效載荷往往較小，翼展4～10 m的太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)載荷能力在3～10 kg左右。因此，中小型太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)常見(jiàn)載荷主要為小型高清攝像機(jī)。該文采用重量為136 g的GoPro攝像機(jī)搭配三軸云臺(tái)作為有效載荷；可拍攝1080 P高清圖像，并通過(guò)測(cè)控鏈路實(shí)時(shí)回傳。云臺(tái)控制接口為PWM方波，因此利用自主研制的飛行控制與管理計(jì)算機(jī)對(duì)其進(jìn)行控制。

2 電磁兼容設(shè)計(jì)

大部分太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，不具備單獨(dú)的設(shè)備艙，航電設(shè)備需布置于細(xì)長(zhǎng)的機(jī)身主梁周圍。在狹小的空間中集成大量的電子設(shè)備極易引起彼此間的電磁干擾。而且，太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制為PWM方波，極易受到干擾，引起跳舵，影響飛行性能和飛行安全。因此，在太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)航電系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)充分考慮電磁兼容要求。電子設(shè)備盡可能減少非工作頻率的發(fā)射，以建立較低場(chǎng)強(qiáng)的電磁環(huán)境。同時(shí)要求電子設(shè)備在低于某一標(biāo)準(zhǔn)電平的電磁環(huán)境中不受干擾，正常工作。

太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)航電設(shè)備眾多，需要大量的供電線與信號(hào)線交錯(cuò)。在航電設(shè)備安裝時(shí)，所有設(shè)備均應(yīng)合理接地；設(shè)備走線應(yīng)避免強(qiáng)電線與弱電線并行；所有的信號(hào)線與航插均應(yīng)采用屏蔽設(shè)計(jì)，且在接口處應(yīng)包裹屏蔽膜。在進(jìn)行試飛之前，應(yīng)對(duì)航電系統(tǒng)進(jìn)行充分的全系統(tǒng)電磁兼容測(cè)試，包括自兼容與外部干擾兼容等。

3 航電系統(tǒng)調(diào)試

航電系統(tǒng)包含設(shè)備數(shù)量和種類較多，在所有設(shè)備共同工作時(shí)容易出現(xiàn)個(gè)別部件的性能下降甚至失靈。如何發(fā)現(xiàn)并解決此類現(xiàn)象，是航電系統(tǒng)調(diào)試應(yīng)關(guān)注的重點(diǎn)問(wèn)題。太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)航電系統(tǒng)調(diào)試應(yīng)采取由點(diǎn)及面的形式進(jìn)行，調(diào)試過(guò)程按以下步驟進(jìn)行。

（1）測(cè)試MPPT模塊與能源采集器功能、測(cè)量太陽(yáng)能電池陣與鋰電池電壓、測(cè)量電源模塊輸入輸出電壓。

（2）連接導(dǎo)航系統(tǒng)，利用機(jī)載能源系統(tǒng)為機(jī)載計(jì)算機(jī)供電，使用線纜接入地面站軟件，測(cè)試機(jī)載計(jì)算機(jī)是否工作正常，移動(dòng)導(dǎo)航設(shè)備，觀察導(dǎo)航數(shù)據(jù)變化是否正常。

（3）接入作動(dòng)設(shè)備（舵機(jī)、云臺(tái)、電調(diào)等），使用遙控模式測(cè)試各作動(dòng)設(shè)備是否正常；切換至自主模式，移動(dòng)導(dǎo)航設(shè)備，觀察各作動(dòng)機(jī)構(gòu)是否按預(yù)定邏輯進(jìn)行作動(dòng)。

（4）接入測(cè)控設(shè)備，測(cè)試數(shù)據(jù)傳輸是否正常；接入攝像機(jī)，測(cè)試圖像傳輸是否正常。

（5）進(jìn)行全機(jī)聯(lián)試，測(cè)試航電系統(tǒng)電磁兼容性能。

（6）進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)考機(jī)與能源循環(huán)測(cè)試。

（7）進(jìn)行試飛試驗(yàn)與飛行控制參數(shù)整定。

4 結(jié)語(yǔ)

該文提出了一種基于當(dāng)前航電技術(shù)發(fā)展水平的中小型太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)綜合航電技術(shù)方案，完成了航電系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)以及能源子系統(tǒng)、飛控子系統(tǒng)、測(cè)控子系統(tǒng)、載荷子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，并探討了航電系統(tǒng)的電磁兼容問(wèn)題和系統(tǒng)調(diào)試問(wèn)題，提出了相應(yīng)的解決方案。在考慮利用太陽(yáng)能循環(huán)能源的基礎(chǔ)上，將模塊化思想引入中小型太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)航電系統(tǒng)設(shè)計(jì)，有助于提高其可擴(kuò)展性與可靠性。該文提出的相關(guān)方案對(duì)該類型的航電系統(tǒng)設(shè)計(jì)具有一定的參考價(jià)值，后續(xù)可進(jìn)行太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)試飛驗(yàn)證與應(yīng)用場(chǎng)景研究。

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