飛行器智能拉煙器結(jié)構(gòu)設(shè)計及控制方法研究

雷安旭，黃 晶

（江漢大學(xué) 人工智能學(xué)院，湖北 武漢 430056）

0 引言

拉煙器是飛機(jī)飛行表演時用來顯示飛行軌跡的一種機(jī)載外掛裝置，主要由化學(xué)試劑產(chǎn)生彩色煙霧，電磁閥門［1］及導(dǎo)氣管控制煙霧噴射，煙霧可在大氣中維持一定時間，在高速飛行的飛行器上加載這種裝置，便于觀眾觀察飛行軌跡，提高飛行表演的觀賞性［2］。

通過對現(xiàn)有拉煙器的調(diào)研發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有技術(shù)關(guān)于拉煙器的研究主要存在兩個方面的不足：一是針對旋翼機(jī)［3-4］（包括無人機(jī)和有人機(jī)），現(xiàn)有技術(shù)并沒有很好解決外掛拉煙設(shè)備的設(shè)計；二是目前拉煙器拉煙方式單一，且主要用于固定翼有人機(jī)的飛行表演，針對固定翼無人機(jī)、旋翼機(jī)的拉煙器設(shè)計研究較少［5-7］。

本文針對以上問題設(shè)計了一種拉煙器的自動控制器，具體包括拉煙器裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計和控制器設(shè)計。裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計為各類飛行器如何加裝拉煙器提供了詳細(xì)的參考方案；控制器設(shè)計實(shí)現(xiàn)了包括無人機(jī)在內(nèi)的各類飛行器自動拉煙，并可進(jìn)一步感知外界環(huán)境進(jìn)行智能拉煙，增強(qiáng)了拉煙效果。

1 拉煙器裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.1 拉煙器基本結(jié)構(gòu)

智能拉煙器主要由導(dǎo)氣裝置、開關(guān)裝置、生煙裝置、控制裝置和固定裝置組成。智能拉煙器的整體示意圖如圖1 所示。導(dǎo)氣裝置引導(dǎo)氣體進(jìn)入或排出系統(tǒng)，包括進(jìn)風(fēng)增壓管口、進(jìn)氣管、出氣管和出氣管口；開關(guān)裝置控制導(dǎo)氣裝置和生煙裝置的開閉，包括總開關(guān)、生煙開關(guān)和排氣開關(guān)；生煙裝置用于產(chǎn)生煙霧，包括生煙容器和高壓容器；控制裝置通過導(dǎo)線與開關(guān)裝置連接，包括控制電路板和電池，基于相關(guān)程序控制拉煙效果；固定裝置用于整個系統(tǒng)的固定安裝，包括安裝板、支架、魔術(shù)貼和安裝支架。

1.2 固定翼飛行器的安裝方式

對于固定翼飛行器，無論其是否為有人駕駛，都可以在現(xiàn)有飛行器的基礎(chǔ)上進(jìn)行智能拉煙器的加裝。

當(dāng)固定翼飛行器為噴氣式時，進(jìn)風(fēng)增壓管口安裝于飛機(jī)進(jìn)氣道附近；當(dāng)固定翼飛行器為螺旋槳式時，進(jìn)風(fēng)增壓管口安裝于螺旋槳后進(jìn)風(fēng)處，從而在不影響飛機(jī)氣動外形的前提下引入空氣；開關(guān)裝置安裝于導(dǎo)氣裝置和生煙裝置中部控制導(dǎo)氣裝置和開關(guān)裝置的開閉；生煙裝置安裝于進(jìn)氣管和出氣管之間，用于產(chǎn)生煙霧；控制裝置通過固定裝置固定安裝于生煙裝置上方，通過導(dǎo)線與開關(guān)裝置連接，通過相關(guān)程序控制拉煙效果，固定裝置安裝于控制裝置與生煙裝置之間。具體安裝方式見圖2。

1.3 旋翼飛行器的安裝方式

旋翼飛行器上智能拉煙器的加裝與固定翼飛行器的加裝方式相比，主要改變了導(dǎo)氣管的結(jié)構(gòu)。控制裝置固定安裝在安裝板下方，位于飛行器機(jī)體正中心；安裝板通過魔術(shù)貼固定安裝在多旋翼飛行器底部；魔術(shù)貼環(huán)繞多旋翼飛行器機(jī)身一圈后兩端固定粘貼；進(jìn)風(fēng)增壓管口安裝在各個旋翼正下方，方向朝著旋翼；進(jìn)氣管與進(jìn)風(fēng)增壓管口連接，安裝在各個機(jī)架下方，另一端與生煙裝置連接；出氣管安裝在各個進(jìn)氣管的正下方，與進(jìn)氣管之間通過安裝支架固定連接；生煙容器固定安裝在控制裝置下方；開關(guān)裝置安裝在進(jìn)氣管、出氣管和生煙裝置中部。具體安裝方式見圖3，將安裝板上魔術(shù)貼繞旋翼飛行器機(jī)身一圈后兩端固定粘貼即可，氣體從進(jìn)風(fēng)增壓管口進(jìn)入，在生煙裝置與生煙化學(xué)制劑發(fā)生反應(yīng)產(chǎn)生煙霧，通過出氣管和出氣管口排出形成拉煙效果。

圖3 旋翼飛行器的安裝方式Fig.3 Installation method of rotorcraft

2 自動拉煙控制器設(shè)計

為了實(shí)現(xiàn)智能拉煙，對智能拉煙器的控制裝置進(jìn)行了自動化設(shè)計［8-9］，在STM32F103C8T6 最小系統(tǒng)板的基礎(chǔ)上增加了矩陣鍵盤電路、OLED 顯示電路、電源轉(zhuǎn)換電路和電磁閥驅(qū)動電路［10-11］。

智能拉煙控制器的控制電路板主要包括4 個模塊，分別是主控電路、顯示電路、電源轉(zhuǎn)換電路和電磁閥驅(qū)動電路。電路原理圖如圖4 所示，其中最中間的部分為主控芯片STM32F103C8T6，左上角為電磁閥驅(qū)動電路。

圖4 控制電路原理圖Fig.4 The schematic diagram of the control circuit

飛行器起飛前用戶通過輸入電路來進(jìn)行拉煙設(shè)置，第一步設(shè)置拉煙模式，包括手動拉煙、自動拉煙和智能拉煙3種，若選擇手動拉煙模式，則飛行器在飛行過程中由用戶通過按鍵進(jìn)行手動控制拉煙；若選擇自動拉煙模式，則進(jìn)一步設(shè)置自動拉煙的初始設(shè)置，包括拉煙方式等，待飛行器飛行到預(yù)設(shè)高度、速度時開始執(zhí)行自動拉煙程序；若選擇智能拉煙模式，則用戶首先進(jìn)入閾值設(shè)置程序，進(jìn)而進(jìn)入自動拉煙初始設(shè)置，當(dāng)飛行器飛行過程中滿足了相關(guān)閾值條件，則拉煙控制器進(jìn)入自動拉煙模式。具體程序流程圖如圖5 所示。

圖5 程序流程圖Fig.5 Program flow chart

2.1 手動拉煙模式設(shè)計

如圖5 所示，用戶選擇手動拉煙方式后，用戶通過輸入電路手動控制飛行器拉煙，當(dāng)需要左側(cè)拉煙時，按下對應(yīng)的按鍵1；當(dāng)需要右側(cè)拉煙時，按下對應(yīng)的按鍵2。

2.2 自動拉煙模式設(shè)計

如圖5 所示，當(dāng)用戶選擇自動拉煙方式后，系統(tǒng)進(jìn)入自動拉煙模式設(shè)置。用戶可分別通過輸入電路設(shè)置左右交替拉煙、左右同時連續(xù)拉煙和左右同時斷續(xù)拉煙時間，以拉煙時間設(shè)置10 s 為例，左右交替拉煙指的是第一秒左側(cè)拉煙右側(cè)不拉煙，第二秒右側(cè)拉煙左側(cè)不拉煙，之后的第三秒到第十秒以此類推；左右同時連續(xù)拉煙指的是第一秒到第十秒左側(cè)右側(cè)同時拉煙；左右同時斷續(xù)拉煙指的是第一秒左側(cè)右側(cè)同時拉煙，第二秒左側(cè)右側(cè)同時不拉煙，之后第三秒到第十秒以此類推。

以上設(shè)置在飛行器起飛前完成，當(dāng)飛行器達(dá)到預(yù)設(shè)拉煙高度及飛行速度后，開始自動按照預(yù)設(shè)的方式進(jìn)行拉煙表演。

2.3 智能拉煙模式設(shè)計

如圖5 所示，用戶選擇智能拉煙模式后，系統(tǒng)進(jìn)入智能拉煙模式設(shè)置。用戶通過鍵盤輸入升降舵偏轉(zhuǎn)角閾值δe、方向舵偏轉(zhuǎn)角閾值δr、油門桿操縱量閾值δT、副翼偏轉(zhuǎn)角（左）閾值δαl、副翼偏轉(zhuǎn)角（右）閾值δαr來自行設(shè)定拉煙觸發(fā)條件。飛行器飛行過程中通過傳感器檢測相關(guān)參數(shù)，當(dāng)實(shí)時參數(shù)達(dá)到設(shè)定閾值時，認(rèn)定滿足該拉煙條件，程序進(jìn)入自動拉煙環(huán)節(jié)。按照如2.2 所述的自動模式進(jìn)行拉煙。

本文利用升降舵偏轉(zhuǎn)角閾值δe來檢測飛行器大角度爬升動作，利用升降舵偏轉(zhuǎn)角閾值δe和油門桿操縱量閾值δT來檢測飛行器的眼鏡蛇機(jī)動，利用副翼偏轉(zhuǎn)角（左）閾值δαl和副翼偏轉(zhuǎn)角（右）閾值δαr來檢測飛行器翻滾機(jī)動，利用副翼偏轉(zhuǎn)角（左）閾值δαl和方向舵偏轉(zhuǎn)角閾值δr來檢測飛行器空中調(diào)頭動作。飛行器起飛后，檢測這些參數(shù)變量升降舵偏轉(zhuǎn)角e、方向舵偏轉(zhuǎn)角r、油門桿操縱量T、副翼偏轉(zhuǎn)角（左）αl、副翼偏轉(zhuǎn)角（右）αr，當(dāng)檢測到的信號達(dá)到開始拉煙相應(yīng)的閾值時，飛行器開始拉煙，當(dāng)檢測到的信號達(dá)到結(jié)束拉煙的閾值時，飛行器關(guān)閉拉煙。其中飛行器動作和參數(shù)變量之間的關(guān)系如表1 所示。

表1 飛行器動作與參數(shù)變量關(guān)系Tab.1 The relationship between aircraft actions and parameter variables

總的說來，通過智能拉煙模式，飛行器在起飛后可以按照實(shí)時的自身姿態(tài)判斷是否進(jìn)行拉煙以及何時停止拉煙。這些閾值是可以根據(jù)不同飛行器的起動特性進(jìn)行獨(dú)立設(shè)置，即該方法可以適應(yīng)不同氣動布局的飛行器。

3 半物理仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

按照控制電路原理圖制作自動拉煙控制器控制電路板，將相應(yīng)程序燒錄到單片機(jī)中，對自動拉煙控制器進(jìn)行半物理仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，模擬飛行器飛行時外界條件，通過觀察電磁閥開關(guān)對應(yīng)端口的波形得到智能拉煙器是否拉煙的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，其中波形信號“1”表示電磁閥打開，煙霧從出氣管排出，智能拉煙器拉煙，波形信號“0”表示電磁閥關(guān)閉，煙霧無法從出氣管排出，智能拉煙器停止拉煙。

主程序如下所述。

通過添加OLED 屏幕顯示程序、按鍵驅(qū)動程序、電磁閥驅(qū)動程序等子函數(shù)，運(yùn)行上述主函數(shù)，可以進(jìn)行半物理仿真。系統(tǒng)設(shè)計完成后，通過控制電路實(shí)物圖以及執(zhí)行時相應(yīng)端口的波形圖來進(jìn)行驗(yàn)證，以下分別對手動拉煙模式、自動拉煙模式以及智能拉煙模式進(jìn)行驗(yàn)證。

3.1 手動拉煙模式驗(yàn)證

手動模式驗(yàn)證結(jié)果如圖6 和圖7 所示。用戶選擇手動模式后，顯示電路顯示“manual mode”，通過按鍵1 和按鍵2 分別控制電磁閥1 和電磁閥2 的開閉從而實(shí)現(xiàn)飛機(jī)左側(cè)拉煙和右側(cè)拉煙，按下按鍵1 后，控制電路控制電磁閥1 開500 ms，按下按鍵2，控制電路控制電磁閥2 開500 ms，其中波形中信號1 表示電磁閥處于開狀態(tài)。

圖6 手動模式驗(yàn)證實(shí)物圖Fig.6 The physical map of verification in manual mode

圖7 手動模式驗(yàn)證波形Fig.7 The verification waveform in manual mode

3.2 自動拉煙模式驗(yàn)證

自動拉煙模式驗(yàn)證結(jié)果如圖8 和圖9 所示。用戶選擇自動模式后，顯示模塊顯示“automatic mode”，通過輸入電路設(shè)置左右交替拉煙、左右同時連續(xù)拉煙和左右同時斷續(xù)拉煙時間，通過顯示模塊顯示設(shè)置的時間。圖8 為左右交替拉煙時間為250 ms，左右同時連續(xù)拉煙時間為430 ms，左右同時斷續(xù)拉煙時間為250 ms 的情況。圖9 為該情況執(zhí)行時的對應(yīng)端口的波形圖，當(dāng)GPS 信號為1 即飛機(jī)到達(dá)指定高度時，開始按順序執(zhí)行左右交替拉煙、左右同時連續(xù)拉煙和左右同時斷續(xù)拉煙，其中當(dāng)信號為1 時表明該方式正在執(zhí)行。

圖8 自動模式驗(yàn)證實(shí)物圖Fig.8 The physical map of verification in automatic mode

圖9 自動模式驗(yàn)證波形Fig.9 The verification waveform in automatic mode

3.3 智能拉煙模式驗(yàn)證

智能拉煙模式驗(yàn)證結(jié)果如圖10 和圖11 所示，用戶選擇智能模式后，顯示模塊顯示“Intelligent mode”，通過輸入電路設(shè)置升降舵偏轉(zhuǎn)角δe、方向舵偏轉(zhuǎn)角δr、油門桿操縱量δT、副翼偏轉(zhuǎn)角（左）δαl、副翼偏轉(zhuǎn)角（右）δαr的閾值，通過顯示模塊顯示設(shè)置的時間。圖10 為設(shè)置升降舵偏轉(zhuǎn)角δe= 89，方向舵偏轉(zhuǎn)角δr= 89，油門桿操縱量δT= 20，副翼偏轉(zhuǎn)角（左）δαl= 30，副翼偏轉(zhuǎn)角（右）δαr= 30。當(dāng)升降舵偏轉(zhuǎn)角、油門桿操縱量達(dá)到開始拉煙的閾值時，眼鏡蛇機(jī)動信號為1，飛機(jī)開始拉煙，當(dāng)達(dá)到結(jié)束拉煙的閾值時，眼鏡蛇機(jī)動信號為0，飛機(jī)停止拉煙，當(dāng)副翼偏轉(zhuǎn)角（左）、副翼偏轉(zhuǎn)角（右）達(dá)到開始拉煙的閾值時，翻滾機(jī)動信號為1，飛機(jī)開始拉煙，當(dāng)達(dá)到結(jié)束拉煙的閾值時，翻滾信號為0，飛機(jī)停止拉煙，結(jié)果如圖11 所示。

圖10 智能拉煙模式驗(yàn)證實(shí)物圖Fig.10 The physical map of verification in intelligent mode

圖11 智能拉煙模式驗(yàn)證波形Fig.11 The verification waveform in intelligent mode

對手動拉煙模式、自動拉煙模式和智能拉煙模式分別進(jìn)行半物理仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證后，結(jié)合控制電路實(shí)物圖以及執(zhí)行時相應(yīng)端口的波形圖，驗(yàn)證了飛行器智能拉煙器可由用戶設(shè)置拉煙方式和拉煙效果，通過飛行器感知外界條件并自動拉煙，即上文對自動拉煙控制器的設(shè)計可行。

4 結(jié)語

本文設(shè)計了一種智能拉煙器，相較于目前現(xiàn)有的拉煙器，有兩個方面的優(yōu)勢。一是目前現(xiàn)有技術(shù)的拉煙器基本均用于固定翼有人機(jī)，旋翼機(jī)的相關(guān)研究特別少；本文通過設(shè)計一種軟管式利用進(jìn)氣出氣氣壓差驅(qū)動的裝置結(jié)構(gòu)，并利用相關(guān)安裝板，使旋翼機(jī)加裝拉煙器的可行性增加。二是通過對拉煙控制器的設(shè)計研究，實(shí)現(xiàn)了自動和智能兩種拉煙模式，使得拉煙器使用場景由有人機(jī)的人工控制變成可用于無人機(jī)的自動控制?？偟恼f來，本文擴(kuò)寬了現(xiàn)有拉煙器的使用范圍，按照本文思路，無論飛行器是否有人，且無論飛行器是旋翼還是固定翼，都可以加裝本文設(shè)計的智能拉煙器，實(shí)現(xiàn)多種方式的拉煙表演。

但是，本文的研究并沒有對電磁閥開關(guān)實(shí)物進(jìn)行檢測，且煙霧的化學(xué)制備過程還停留在理論研究，未進(jìn)行實(shí)驗(yàn)仿真，后續(xù)將對電磁閥驅(qū)動電路進(jìn)行進(jìn)一步的研究，且準(zhǔn)備按比例做出單通道的拉煙器，實(shí)物調(diào)試?yán)瓱熜Ч?/p>