500公斤级无人直升机飞控导航系统的设计与应用

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　　摘  要：直升机以其悬停、贴地飞行、机动性能等特点能够有效满足军事需求，故而一直是军事研究的重点项目。较之有人驾驶直升机，无人直升机的关键在于其飞控导航系统，该系统是无人直升机能够有效完成任务的核心所在。文章以500kg级无人直升机为对象，对其飞控导航系统的设计及应用展开论述。
　　关键词：无人直升机;飞控导航系统;系统设计与应用
　　中图分类号：V279         文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2019）26-0037-02
　　Abstract： Helicopter with its hovering and hanging in the air， ground flight， maneuverability and other characteristics can effectively meet the military needs， so it has always been the key project of military research. Compared with the manned helicopter， the key of the unmanned helicopter lies in its flight control navigation system， which is the core of the unmanned helicopter to complete the mission effectively. Taking the 500kg class unmanned helicopter as the object， this paper discusses the design and application of its flight control and navigation system.
　　Keywords： unmanned helicopter; flight control navigation system; system design and application
　　本文以500kg级无人直升机为具体对象，对其飞控导航系统的设计与应用展开研究。该机最大起飞重量为550公斤，采用活塞式发动机，主结构为金属材料。该机是在H3超轻型直升机平台基础上，通过设计改型，研制一款新型的多用途无人直升机，这是目前国内吨位较大的无人直升机，有效载荷高达180kg，使用95号车用汽油，续航时间可在3～3.5小时，此款无人直升机型号在军用、民用无人机领域，都具有强大的市场竞争力。
　　1 飞控导航系统构成
　　飞控导航系统作为无人机关键系统，不同于其它系统，这是个独立的子系统，能够在不同型号的无人直升机上通用，并且经过特殊设计，能够完成不同的任务。
　　飞控导航系统主要功能是飞行过程中飞行姿态控制和飞行轨迹控制。主要用于稳定无人机飞行姿态，控制发动机转速和飞行航迹。可实现直升机俯仰、倾斜、偏航、升降，以及飞行高度的稳定性控制、侧向偏离控制和自动协调转弯控制。对无人直升机实现全权控制与管理，因此飞控导航系统对于无人直升机相当于驾驶员对于有人直升机，是无人直升机基本飞行和执行任务的关键。
　　飞控导航系统包括飞控子系统、导航子系统和飞行管理子系统。
　　2 飞控导航系统设计
　　2.1 飞控导航计算机
　　2.1.1 硬件设计
　　飞控导航计算机硬件结构为：
　　a.嵌入式单片机：包括处理器，数字I/O及其控制，标准串行接口及总线驱动、隔离等。b.AD/DA转换器：包括数据采集与处理，伺服控制。c.测量信号采集与处理：包括各种模拟信号的调理电路。d.GPS定位信号接收器：该板上装有GPS接收机。e.隔离板：对所有进出机载计算机的信号进行滤波和隔离。f.滤波板：电源滤波。g.接口：飞控導航计算机对外接口分为串口、数字量输入/输出、模拟量输入/输出等，用于和机载传感器、伺服舵机、无线传输、任务设备等进行数据传输。
　　2.1.2 软件设计
　　软件设计模块划分：主模块、定时中断处理模块和串行中断处理模块。
　　a.主模块主要完成系统初始化，包括RAM初始化、操作系统装载、A/D、D/A、数字I/O和串行口初始化、A/D测试及采集、状态信息采集、遥测编码、航向解算及实时处理、导航数据处理等。b.定时中断处理模块主要完成与时间有关的周期性任务，包括无线传输管理、检测和任务规划数据处理、飞行控制律解算、伺服控制、飞行模态管理等。c.串行口中断处理模块主要响应串行口中断，进行中断识别并按不同中断源做出不同处理。若中断源为航向传感器、GPS接收机，仅接收数据;若中断源为TCTM设备，除接收遥控信息外，还要对遥控信息进行处理，译码并进行响应操作。
　　系统软件运行以主模块为核心，其他两个模块均以中断方式运行。定时中断优先级高于串行口中断，各串行口中断的优先级按波特率的高低而不同，波特率高的优先级高。通过合理的优先级分配、定时中断周期选择以及各模块之间的调度，有效地解决系统软件的实时性问题。
　　2.2 机载传感器组
　　无人直升机机载传感器包括两个部分，一是原型机仪表板指示器的原有传感器及系统告警传感器。如发动机转速传感器、旋翼转速传感器、滑油温度传感器等。二是飞控导航系统新增的传感器，包括角速度率传感器、姿态传感器、位置传感器、高度传感器及磁航向传感器等，这些传感器构成导航飞控系统自动控制的基础。
　　2.2.1 定速仪
　　定速仪主要用来控制无人直升机发动机转速，从而控制旋翼转速使其稳定在535RPM左右。定速仪接收来自发发动机的转速信号以及来自飞控的信号控制油门舵机，油门舵机接受来自定速仪的控制信息，通过油门钢索改变油门的开度，从而改变发动机的转速。 　　定速仪相当于发动机转速的PID控制器，有了定速仪便可以维持直升机的旋翼转速的稳定。定速仪的应用大大降低了旋翼转速控制的难度。
　　2.2.2 超声波高度计
　　超声波高度计主要用于5米以下的高度测量，以弥补GPS定位系统在低空时测量精度不够的缺陷。
　　超声波高度计成本低，安装简便，一般应用于低空作业的无人机平台。但超声波高度计作用距离短，只能作为无人直升机高度测量辅助传感器。
　　2.2.3 GNSS卫星导航接收机加磁航向传感器
　　无人直升机飞行过程利用传感器敏感的具体方位，是飞行轨迹控制的必要前提。惯性导航设备、GNSS卫星导航接收机（其中包含GPS/BD2/格洛纳斯）、磁航向传感器都是典型的位置传感器。
　　GPS天线安装在尾梁上端，避免信号遮挡的问题。磁航向传感器安装在飞控机箱上部，其外壳采用非金属材料制作，避免铁磁材料的干扰影响。
　　2.3 伺服舵机
　　伺服舵机指令来源 Futaba指令和控制律解算，可采用 Fu taba直通操控模式、控制律自动控制模式、人工/增稳混合控制模式等三种。控制指令传输到倾斜盘的4个舵机，用于控制直升机的俯仰、横滚姿态以及总距;控制指令传送至尾舵机，用于直升机航向控制。
　　伺服舵机基本要求是工作可靠、重量轻、尺寸小，选用SSPS105电动舵机作为俯仰、横滚、升降和方向控制的执行舵机，HITEC HS-7980电动舵机作为油门舵机。
　　2.4 数据链路
　　该机具备两套数据链路，Futaba链路和另一套独立的无线电测控链路可协同工作。Futaba链路主要用于小于1500m近距离范围内人工半自主飞行、测试。另一套数据链路采用讯联科技100KM测控与信息一体化设备产品主要用于自主飞行以及较远距离的自主飞行和测试。
　　3 飞控导航系统应用
　　3.1 仿真试验
　　对该机采用半物理仿真试验，因为全数字仿真试验难以将执行机构和传感器等非线性环节对飞控系统的影响完全考虑进去，仿真置信度不及半物理仿真。
　　半物理仿真平台用于完成无人直升机试飞之前对飞控系统动态测试，数字仿真系统对自动驾驶仪进行机载传感器和GPS信号注入，自动驾驶仪按照真实飞行的方式给数字仿真系统发出控制指令，实现对数字仿真机的控制，从而验证自动驾驶仪的执行策略和直升机的飞行品质。
　　仿真计算机一方面通过RS-232串行总线实现与地面控制软件的数据通讯，另一方面还通过网络传输方式，将飞行过程运动信息实时发送至视景模拟计算机，主要完成以下功能：（1）解算六自由度非线性飞行器运动方程，得到飞机各种运动参数信息。（2）运行发动机仿真程序，根据飞行高度、空速、发动机油门位置和发动机转速解算出发动机输出扭矩。（3）仿真飞行控制系统的各种传感器向飞控系统提供传感器信息，如气压高度传感器、磁力计、空速计、惯导、GPS等信息。（4）解算舵机环节仿真模型，根据接收到的舵偏指令响应。（5）解算风扰动仿真模型，为飞行过程仿真提供侧风、紊流和突风数据。
　　3.2 飞行试验
　　该无人直升机自从2016年12月解除系留绳，带井字架首飞成功;2018年1月在日照岚山机场进行了低温性能、平飞性能、载荷性能等試飞科目;2018年6月完成某基地鉴定试飞，鉴定试飞主要科目是平飞性能、斜向爬升性能、垂直爬升性能、航程和续航时间试飞科目，通过某基地鉴定试飞，验证无人直升机平台各个系统工作稳定性和可靠性，考核验证该型机总体技术指标;对飞控导航系统功能性、工作可靠性进行考核，充分验证了飞控导航系统的飞行姿态增稳功能、自主飞行控制功能和系统自检测功能。2019年5月该无人直升机实现了飞越琼州海峡的壮举。
　　试验结果表明，500kg级无人直升机飞控导航系统设计合理，能够在多种复杂环境下进行可靠的应用。空机重量低，空重比高，有效载荷达180kg，在同吨位无人机中，任务载荷量大。所以除完成空中靶机的任务使命，能挂载不同的任务载荷，遂行生化探测、农林喷洒、物流、察打一体等不同的任务使命。同时，无人直升机研发周期短，有效地控制了研制成本和使用成本，无人直升机系统功能强大，性能指标与同吨位机型大致相同，但价格低，产品性价比高。
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