無(wú)人飛艇的遙控和自動(dòng)飛行控制

(重慶工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院,重慶 401120)

引 言

飛艇是一種由發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的、輕于空氣的、可操縱的航空器。飛艇的靜浮力由氣囊中的氦氣提供，飛艇由氣囊、動(dòng)力裝置、起落架、水平尾翼、垂直尾翼、控制系統(tǒng)等組成，可廣泛應(yīng)用于城市交通監(jiān)控、市政建設(shè)航拍、高空大氣采樣、城市森林火警監(jiān)控、地質(zhì)勘探、軍事和廣告等領(lǐng)域[1]。飛行控制系統(tǒng)作為飛艇機(jī)電部分的核心，它的性能決定了飛艇的功能、穩(wěn)定性、安全性以及遙控和自動(dòng)飛行的可實(shí)現(xiàn)性。

1 控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

本人所研究的飛艇是ST-3型無(wú)人飛艇，控制系統(tǒng)的核心是dsPIC30F4013及其外圍電路。Microchip公司推出的dsPIC30F系列單片機(jī)是一種集16位單片機(jī)控制特點(diǎn)和DSP功能于一身的新型芯片。飛行控制裝置主要包括信號(hào)接收裝置、信號(hào)處理裝置、電機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置等幾部分，總控制方案原理框圖如圖1所示[2]。

圖1 總控制方案原理圖

信號(hào)接收裝置主要功能是接收遙控接收機(jī)傳來(lái)的各種控制指令、接收GPS接收機(jī)發(fā)來(lái)的信號(hào)以及接收參數(shù)注入時(shí)來(lái)自PC機(jī)的數(shù)據(jù)。信號(hào)處理裝置則是對(duì)接收裝置傳來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算處理，然后輸出控制信號(hào)給動(dòng)力系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)裝置，控制各電機(jī)按照要求動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)各種飛行要求。

2 遙控飛行的實(shí)現(xiàn)

2.1 推力轉(zhuǎn)向的控制

推力轉(zhuǎn)向控制是一個(gè)開環(huán)控制系統(tǒng)，無(wú)絕對(duì)起始點(diǎn)，手動(dòng)調(diào)“零”。推力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)主要由遙控接收機(jī)、控制芯片及外圍電路、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路、步進(jìn)電機(jī)及渦輪渦桿傳動(dòng)裝置等幾部分組成。步進(jìn)電機(jī)是一種將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，可以通過控制脈沖個(gè)數(shù)來(lái)控制角位移量，同時(shí)可通過控制脈沖頻率來(lái)控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的速度和加速度。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置為低壓驅(qū)動(dòng)的高起動(dòng)轉(zhuǎn)矩、高運(yùn)行頻率裝置。

對(duì)推力轉(zhuǎn)向裝置的控制是手動(dòng)遙控的，控制前要將控制狀態(tài)切換為手動(dòng)遙控。選擇遙控接收機(jī)第7通道(CH7)為推力角度控制通道，該通道為比例控制通道，輸出PWM信號(hào)。經(jīng)測(cè)試，CH7的脈寬為0.8～1.6 ms，故可按表1設(shè)定這三個(gè)過程，指令由單片機(jī)來(lái)識(shí)別。

表1 脈寬與指令狀態(tài)的關(guān)系

2.1.1 升遙控的實(shí)現(xiàn)

當(dāng)單片機(jī)收到地面發(fā)來(lái)的“上升”遙控指令時(shí)，飛控裝置即輸出“上升”脈沖組控制步進(jìn)電機(jī)正向轉(zhuǎn)動(dòng)，步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)由渦輪渦桿組成的機(jī)構(gòu),按照設(shè)定的控制規(guī)律改變渦桿的角位移量，使發(fā)動(dòng)機(jī)正向轉(zhuǎn)動(dòng)到所要求的位置。當(dāng)飛艇處于“上升”狀態(tài)時(shí)，可執(zhí)行的唯一飛行控制命令為“平飛”。遙控器發(fā)出“平飛”信號(hào)后，由單片機(jī)的輸出口輸出設(shè)定好的“-90°”序列脈沖，發(fā)動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)90°，完成由“上升”到“平飛”的任務(wù)，并將飛行狀態(tài)標(biāo)志置為“平飛”。

2.1.2 下降遙控的實(shí)現(xiàn)

當(dāng)飛控裝置收到“下降”指令時(shí)，將輸出“下降”脈沖組控制步進(jìn)電機(jī)反向轉(zhuǎn)動(dòng)，使渦輪連桿轉(zhuǎn)動(dòng)到負(fù)的規(guī)定位置。當(dāng)飛艇處于“下降”狀態(tài)時(shí)，可執(zhí)行的唯一飛行控制命令為“平飛”。遙控器發(fā)出“平飛”信號(hào)后，由單片機(jī)的輸出口輸出設(shè)定好的“+120°”序列脈沖，發(fā)動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)120°，完成由“下降”到“平飛”的任務(wù)，并將飛行狀態(tài)標(biāo)志置為“平飛”。

2.1.3 平飛控制的實(shí)現(xiàn)

在遙控系統(tǒng)停發(fā)“上升”和“下降”指令的區(qū)間，飛控裝置即輸出“平飛”控制信號(hào)，電動(dòng)機(jī)螺旋槳推力方向保持0°位置，使推力方向保持向前平推。當(dāng)飛艇處于“平飛”狀態(tài)時(shí)，可執(zhí)行的遙控指令為“上升”、“下降”以及“自動(dòng)飛行”。 在自動(dòng)飛行時(shí)，方向舵和升降舵的控制權(quán)將交給自動(dòng)飛行系統(tǒng)，手動(dòng)遙控失去對(duì)方向舵和升降舵的控制權(quán)，直到收到“解除自動(dòng)飛行”命令才可遙控。

2.2 方向舵和升降舵的遙控

對(duì)方向舵和升降舵的遙控不經(jīng)過單片機(jī)控制器，“遙控信號(hào)”和“自動(dòng)控制”信號(hào)通過繼電器進(jìn)行隔離。伺服電機(jī)是飛行控制系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，可以通過控制周期性脈沖的正脈沖寬度來(lái)控制轉(zhuǎn)角位置。地面遙控發(fā)射機(jī)可以發(fā)出用來(lái)控制舵機(jī)的脈沖信號(hào)，該信號(hào)被裝在飛艇上的遙控接收機(jī)收到，然后通過遙控信號(hào)支路的繼電器導(dǎo)通去控制伺服電機(jī)。

3 自動(dòng)飛行的實(shí)現(xiàn)

3.1 GPS數(shù)據(jù)的接收與處理

在自動(dòng)飛行中，定高時(shí)需要用到飛艇飛行中實(shí)時(shí)的高度信息。定向時(shí)則需要實(shí)時(shí)的經(jīng)緯度信息和飛艇飛行的方向信息。高度、經(jīng)緯度以及方向這些數(shù)據(jù)都可以從GPS接收機(jī)發(fā)來(lái)的數(shù)據(jù)串中找到。

GPS輸出數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)格式為NMEA-0183[3]，它是美國(guó)國(guó)家海洋電子協(xié)會(huì)為海用電子設(shè)備制訂的標(biāo)準(zhǔn)格式。每個(gè)數(shù)據(jù)段都是由許多組信息組成，每組信息都以“$”開頭作為標(biāo)志符。這些信息有很多種，以“$”后面緊跟5個(gè)字母表明信息的類型，如“$GPGGA”、“$GPVTG”等。“$GPGGA”表明這是GPS定位所需的位置信息，后面內(nèi)容中包含緯度和經(jīng)度等數(shù)據(jù);“$GPVTG”表明后面的數(shù)據(jù)是方位角和對(duì)地速度信息。知道了GPS接收機(jī)發(fā)過來(lái)的數(shù)據(jù)格式，就可以編寫程序從這些數(shù)據(jù)串中檢取需要的信息。

3.2 定高飛行的實(shí)現(xiàn)

當(dāng)控制系統(tǒng)收到“自動(dòng)飛行”信號(hào)后，升降舵[4]的控制權(quán)切換給自動(dòng)飛行系統(tǒng)，自動(dòng)飛行包含“定高”和“定向”，兩者同時(shí)工作?！白詣?dòng)飛行”命令由遙控接收機(jī)第5通道CH5提供，CH5也是比例控制口，設(shè)定脈寬在0.8～1.2 ms為“自動(dòng)飛行”命令， 1.2～1.8 ms為“解除自動(dòng)飛行”命令。

可編寫單片機(jī)程序從實(shí)時(shí)GPS數(shù)據(jù)中檢索到“高度”信息，單片機(jī)接收到“自動(dòng)飛行”命令后將設(shè)定的飛行高度與實(shí)時(shí)高度相比較，其差值經(jīng)PID運(yùn)算得到控制脈沖。由單片機(jī)輸出該脈沖，經(jīng)過放大，經(jīng)繼電器導(dǎo)通去控制升降舵機(jī)。當(dāng)CH5輸出的命令為“解除自動(dòng)飛行”時(shí)，遙控器掌握水平舵機(jī)的控制權(quán)。

在定高飛行時(shí)，如果飛艇發(fā)生意外故障，自動(dòng)上升后其高度超過預(yù)定上限高度時(shí)，高度保險(xiǎn)裝置即輸出檢測(cè)信號(hào)，控制電磁閥放出部分氦氣，降低飛艇靜浮力后使飛艇自行下降回收。

3.3 定向飛行的實(shí)現(xiàn)

在飛行的路徑上設(shè)置幾個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)，飛艇在兩相臨點(diǎn)之間按照直線路徑自動(dòng)飛行，多點(diǎn)路徑飛行可以看成是兩點(diǎn)間路徑飛行的擴(kuò)展?！岸ㄏ蝻w行”采用雙PID控制，即距離PID和偏角PID控制，最后的控制量是這兩個(gè)PID控制的合成[5]。

全球各地同一經(jīng)線上緯度1°的間隔長(zhǎng)度都相等，為111.317 km，而各緯線則是從赤道向兩極遞減。我們研究的飛艇飛行的范圍在30 km左右，在這個(gè)小范圍內(nèi)飛行，可以把大地經(jīng)緯網(wǎng)視為平面網(wǎng),并認(rèn)為在小范圍內(nèi)各緯線長(zhǎng)相同，在平面中解決問題，經(jīng)緯坐標(biāo)模型如圖2所示。

圖2 經(jīng)緯坐標(biāo)模型

對(duì)于距離PID控制，需要知道飛艇飛行中采樣時(shí)刻的實(shí)時(shí)位置距離兩點(diǎn)直線路徑之間的距離。如圖2，ac之間的長(zhǎng)度是均勻的，把經(jīng)緯度坐標(biāo)原點(diǎn)平移到兩點(diǎn)路徑的起始點(diǎn)a，很容易求出e 點(diǎn)和f點(diǎn)在坐標(biāo)平移后的經(jīng)緯度坐標(biāo)值，由于經(jīng)線上單位緯度的間隔長(zhǎng)度是已知的，為111.317 km,設(shè)d點(diǎn)和f點(diǎn)的緯度分別為w1和w2，那么有|df|=(w1-w2)×111.317。由于ac之間的長(zhǎng)度是均勻的，則|ef|=|ac|×(e經(jīng)-f經(jīng))/(c經(jīng)-a經(jīng))，其中e經(jīng)、f經(jīng)、c經(jīng)和a經(jīng)分別為各對(duì)應(yīng)點(diǎn)處在坐標(biāo)平移后的經(jīng)度值。|ac|為ac兩點(diǎn)間的距離，這個(gè)值可以在高級(jí)軟件中算出后通過串口通信發(fā)到dsPIC30F4013相應(yīng)的寄存器中。則|de|2=|df|2-|ef|2，可以根據(jù)這個(gè)平方值進(jìn)行距離PID計(jì)算。

對(duì)于偏角PID控制，需要知道飛艇飛行的方向信息以及設(shè)定飛行路徑的方向與正北方向之間的夾角。對(duì)于前一個(gè)數(shù)據(jù)，可以從GPS接收機(jī)傳來(lái)的數(shù)據(jù)中獲取飛艇飛行方向相對(duì)于正北方向的角度，對(duì)于后一個(gè)數(shù)據(jù)，則可以在高級(jí)軟件中計(jì)算出這個(gè)角度，然后通過串口發(fā)送到芯片相應(yīng)的寄存器中。通過這兩個(gè)角度就可以知道實(shí)時(shí)飛行方向相對(duì)于飛行路徑的夾角，根據(jù)這個(gè)角度可以進(jìn)行偏角PID計(jì)算。

為了正確控制伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向，有必要判斷d點(diǎn)位于ac的哪一側(cè)。可以通過比較坐標(biāo)平移后d點(diǎn)與f點(diǎn)緯度坐標(biāo)的絕對(duì)值大小來(lái)判斷d點(diǎn)位于哪一側(cè)。需要注意的是，從a到c坐標(biāo)原點(diǎn)在a，從c到a坐標(biāo)原點(diǎn)則在c。

當(dāng)單片機(jī)檢測(cè)到“自動(dòng)飛行”命令后，在單片機(jī)內(nèi)部對(duì)距離和偏角分別進(jìn)行PID運(yùn)算，運(yùn)算的結(jié)果進(jìn)行合成，控制輸出PWM脈沖的占空比，得到最終的控制脈沖。該脈沖由單片機(jī)輸出，經(jīng)過放大，經(jīng)繼電器導(dǎo)通后控制伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向和轉(zhuǎn)角大小。

3.4 參數(shù)實(shí)時(shí)注入系統(tǒng)

為了得到實(shí)時(shí)的點(diǎn)到直線的距離以及實(shí)時(shí)飛行方向與直線路徑間的夾角，用上述方法計(jì)算，需離線計(jì)算并通過串口通信把結(jié)果送到芯片相應(yīng)寄存器中的數(shù)據(jù)包括：①路徑上關(guān)鍵點(diǎn)上的經(jīng)緯度坐標(biāo)；②飛行路徑上兩關(guān)鍵點(diǎn)之間的距離；③飛行路徑所在直線與正北方向的夾角?？梢酝ㄟ^建立PC機(jī)與dsPIC30F4013芯片之間的串口通信來(lái)實(shí)時(shí)注入這些數(shù)據(jù)。

結(jié) 語(yǔ)

[1] 宗捷,王赤民.從適航審定實(shí)踐看我國(guó)飛艇發(fā)展[J].通用航空,2005(60)．

[2] 范珉一.小型無(wú)人飛艇飛行控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D].南京:南京理工大學(xué),2007:17-21.

[3] 田輝. NEMA 0183格式簡(jiǎn)介[EB/OL].[2017-10].http://www.sgg.whu.edu.cn/isa/php/viewart.php?ID=91.

[4] 姜篤慶.伺服電機(jī)(舵機(jī))及其在各領(lǐng)域的應(yīng)用[J].電子報(bào),2004.

[5] 曲東才.飛艇研制及發(fā)展[J].航空科學(xué)技術(shù),2005(2).

張新亮(碩士)，主要研究方向?yàn)橹悄苤圃旒夹g(shù)、數(shù)控技術(shù)與數(shù)控系統(tǒng)、PLC應(yīng)用。