一种可变形飞行器的无人机控制系统设计与实验

作者：时间：2013-08-21来源：网络收藏

摘要：飞控系统是无人机的核心，无人机的外部架构对其性能的影响也很重要。为了提高无人机系统性能，给出一种无人机控制系统设计并进行了实验。文章在介绍变形飞行器和飞控系统功能要求的基础上，给出了基于芯片LPC2148的硬件设计，介绍了各个硬件部分的功能、软件架构和控制规律的选择与设计，详细介绍了实验的准备工作和实际飞行情况，给出了软件调试流程图，分析了调试结果。经过多次飞行试验，表明系统的设计是适合实验中的可变形飞行器的，并且合理可靠，能够完成预期的飞行任务，具有较好的实用性。
关键词：变形飞行器；飞控系统；无人机；地面控制站；实验

0 引言
无人驾驶飞行器简称无人机(UAV)，是一种由动力驱动、无人驾驶和可重复使用的航空器。无人机因其成本低、效率好、应用灵活、危险系数小等优点而广泛应用于侦查、目标指示、生化武器探测、电子干扰、航空摄影、水灾监视等军事和民用领域。
随着国家现代化和国防事业的发展，单一飞行模式的飞行器(运输机、战斗机、旋翼机、火箭、导弹、无人机、飞艇、空天往返飞机等)已经难以满足不断增长的需求。新一代空天飞行器从地面或运载平台上起飞，可以穿越大气层飞行，执行各种任务使命，其飞行环境(高度、飞行马赫数等)变化很大。固定外形的飞行器很难适应如此广泛的环境参数变化，保持优良的性能。为了适应更加宽广的飞行空域和速度范围变化，需要发展一种能随着外界飞行环境自适应地改变飞行器外形、始终保持优良飞行性能的“智能变形飞行器”。
无人机控制系统的核心部件为机载飞控系统和地面控制站。飞控系统实现对无人机的自主飞行控制；地面控制站实现对无人机遥控，航迹规划，改变飞行计划，通信联络等任务。地面站同时完成接收、处理、发送信息的任务。

1 飞控系统功能要求
保持无人机按照预定飞行计划飞行，并且能根据地面指令及时调整姿态和飞行；对扰动具有抗干扰性，能及时从扰动中调整和恢复正常飞行；并且具有较小的体积和重量，保证无人机的飞行效率和足够的飞行时间。对飞控系统的具体要求为：能完成飞行控制信号输出，控制升降舵机、方向舵机、发动机油门舵机和副翼舵机；对当前飞行状态信息的采集，包括航向、姿态、高度、速度；通过串口接受GPS信息；地面控制站和飞控系统通过数传电台进行数据传输；能够在遥控飞行和自主飞行间切换。

2 变形飞行器机构和变形控制
飞行控制器根据飞行任务和飞行条件的要求，确定副翼变形频率，使变形速度既满足任务需求，又对飞行产生的不利影响最小，而变形过程中机翼的转动会对飞行器的气动力产生影响，气动布局的改变使其稳定特性受到影响。所以合理选择变形飞行器，变形控制算法的设计和布置内部硬件显得尤为重要。
本设计采用的变形飞行器结构为仿F-14模型，如图1。