航空器模型飛行試驗飛控系統(tǒng)硬件平臺方案評審講述：1111112016年9月20日目錄概述1飛行控制系統(tǒng)2研制要求3研制方案4研制進度51.概述

本研制方案是受中國空氣動力研究與發(fā)展中心計算空氣動力學研究所委托，根據(jù)航空器模型飛行實驗的需求，設計的航空器模型飛行試驗飛行控制系統(tǒng)硬件平臺。方案的設計主要依據(jù)《航空器模型飛行試驗飛控系統(tǒng)硬件平臺研制總體方案設計》合同以及技術(shù)要求進行。2.1.2.2控制回路2.1.2.1控制對象2.飛行控制系統(tǒng)2.1.1飛行控制系統(tǒng)的主要功能2.2.飛行控制系統(tǒng)基本構(gòu)成2.2.1傳感器2.2.2舵機2.2.3飛行控制器2.1飛行控制系統(tǒng)的基本原理2.1.2.飛行控制系統(tǒng)基本構(gòu)成2.1.1飛行控制系統(tǒng)的主要功能飛行控制系統(tǒng)在無人機上的功能1、飛行控制即無人機在空中保持飛機姿態(tài)和航跡的穩(wěn)定，以及按地面無線電遙控指令或者預先設定好的高度、航線、航向、姿態(tài)角等改變飛機姿態(tài)與航跡，保證飛機的穩(wěn)定飛行，值就是通常所謂的自動駕駛。2、飛行管理即完成飛行狀態(tài)參數(shù)采集、導航計算、遙測數(shù)據(jù)傳送、故障診斷處理、應急情況處理、任務設備的控制與管理等工作。著也是無人機進行無人飛行的基礎。

飛行控制的目的是通過飛行器的姿態(tài)和軌跡來完成飛行器的各種模態(tài)的控制任務，這主要通過飛行控制系統(tǒng)來完成。飛行控制系統(tǒng)作為飛行器機載設備的核心組成部分，能否正常工作直接影響著飛機飛行的各種性能和飛行安全。2.1.2飛行控制系統(tǒng)的基本原理2.1.2.1.控制對象飛行控制系統(tǒng)改變或保持飛機的飛行姿態(tài)及航跡。主要通過控制以下飛行參數(shù)來實現(xiàn)：1）俯仰角2）傾斜角3）飛行高度4）飛機中心的地理坐標其中俯仰角、傾斜角實現(xiàn)對飛機姿態(tài)的調(diào)整飛行高度、航向角、飛機中心的地理坐標實現(xiàn)對航跡的控制。執(zhí)行機構(gòu)改變飛機的各個控制面（也稱操作縱面）從而實現(xiàn)對飛行參數(shù)的控制的。無人機主要有三個控制面：升降舵、副翼和尾翼（方向舵）。

a）升降舵主要控制飛機俯仰角調(diào)整飛行高度；

b）副翼主要控制滾轉(zhuǎn)角大角度調(diào)整航向；

c）尾翼主要控制小幅度航向的改變。由這些控制面與相應的控制設備就構(gòu)成了飛機的三個主要控制通道，即升降通道（平尾通道），副翼通道（傾斜通道）和方向舵通道（航向通道）。這也構(gòu)成了最基本的飛行自動控制系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)對飛機姿態(tài)及重心位置的調(diào)節(jié)和控制。

飛行控制系統(tǒng)是由各種傳感器取得飛行參數(shù)或者人工輸入的指令，通過對飛機俯沖仰角、滾動角、速度、高度等的調(diào)整，模仿飛行員的操縱，自動的保持和控制飛機的姿態(tài)和飛行軌跡，2.1.2飛行控制系統(tǒng)的基本原理2.1.2.2.控制回路飛行控制系統(tǒng)是一個典型的閉環(huán)控制系統(tǒng)。控制飛行的原理：飛機如果偏離控制器預設狀態(tài)（飛行姿態(tài)改變），由傳感器探測到偏離方向及大小，對控制器輸出相應信號。控制器經(jīng)過運算處理，輸出控制信號操縱執(zhí)行機構(gòu)（即舵機），控制面發(fā)生相應變化，使飛機趨于設定狀態(tài)。當飛機達到預定狀態(tài)，則舵機及相應舵面回歸原位，飛機按設定姿態(tài)正常飛行，這就構(gòu)成了飛行控制面的基本回路。根據(jù)這一基本控制原理，可以構(gòu)成穩(wěn)定控制回路（提高飛行穩(wěn)定性及操作性）、姿態(tài)控制回路（控制飛行姿態(tài)角）和航跡控制回路（控制飛機高度和航向等），從而構(gòu)成一個飛行控制系統(tǒng)。

eg.飛機由高度1千米向北平飛、高度降到600米向西平飛的情況：

首先，下降期望狀態(tài)輸入至飛行控制器（以下簡稱飛控器），飛控器發(fā)出指令控制舵機，使升降舵下壓，機翼產(chǎn)生力矩使飛機俯仰角變化（飛機頭向下傾斜）。傳感器測的姿態(tài)變化并反饋到飛控器，通過姿態(tài)控制使飛機保持下降姿態(tài)。高度達到600米時，高度傳感器將測取的高度信號反饋到航跡控制器，航跡控制器發(fā)出指令，控制舵機使升降舵上抬，飛機抬頭保持600米高度飛行。飛控器并根據(jù)輸入的轉(zhuǎn)向期望狀態(tài)，并發(fā)出指令使尾翼發(fā)生變化，使飛機改向。2.2.飛行控制系統(tǒng)基本構(gòu)成地面遙控無人機飛行控制系統(tǒng)機載飛行控制系統(tǒng)（核心）遙控操作器負責飛行目標規(guī)劃和各項數(shù)據(jù)分析防止自主飛行機構(gòu)失控負責采集飛機各項飛行參數(shù)、維持飛機的穩(wěn)定飛行和姿態(tài)控制飛行控制器傳感器舵機升降舵機副翼舵機風門舵機速度傳感器高度傳感器GPS導航接收機電子羅盤2.2.飛行控制系統(tǒng)基本構(gòu)成傳感器

傳感器就是將非電物理量變換成電信號的一種裝置。原理：u=f（x）；u為傳感器輸出電信號，x為被測非電物理量，u與x呈線性關(guān)系。無人機中常用到以下類型的傳感器：電子羅盤

電子羅盤用于測量飛機的俯仰角、傾斜角以及航向角等與飛機姿態(tài)相關(guān)參數(shù)。電子羅盤將物理信號轉(zhuǎn)換為帶極性的電壓信號，表示角度的大小與正負。現(xiàn)在一般的羅盤模塊都將傳感頭及其解算電路一體化，直接采用標準串口輸出數(shù)字信號高度及速度傳感器

高度傳感器是基于大氣氣壓隨海拔高度變化的原理，實現(xiàn)對飛機飛行高度的測量，其關(guān)系可表示為：UH=KHUH為輸出信號，H為高度，K為常數(shù)。不同地區(qū)的地面海拔高度不同，但實際飛行時關(guān)心的是飛機相對起飛點的高度，因此，不同地區(qū)飛行要在地面對高度傳感器進行調(diào)零，使H為相對起飛點高度。飛機速度可以根據(jù)飛機向前飛行時所產(chǎn)生的壓力、所在位置的大氣靜壓（高度傳感器測得的氣壓）以及他們之間的壓差解算得到。飛機速度換可以根據(jù)速度定義，直接采用GPS模塊得到的位置以及時間變化進行解算。GPS（GlobalPositioningSystem）衛(wèi)星定位接收機

GPS衛(wèi)星導航接收機是以串行碼形式，輸出飛機經(jīng)過的經(jīng)/緯度坐標和飛行速度向量等信息，采用控制飛機的重心位置（航跡）。GPS一般采用“多星、高軌、測時、測距”體制，以實現(xiàn)全球覆蓋、全天候、高精度、連續(xù)實時導航定位等。GPS本身是一個復雜系統(tǒng)，在飛行控制系統(tǒng)中，它僅是一個提供飛機經(jīng)/緯度坐標和飛行速度向量等信息的部件。2.2.飛行控制系統(tǒng)基本構(gòu)成舵機飛行控制器

飛行控制器（以下簡稱飛控器）是飛行控制系統(tǒng)的核心，也是無人機的中央控制單元。飛控器根據(jù)控制指令（含預定指令和地面指令等）和實時測量信息，采用一定控制算法進行決策，控制各個執(zhí)行機構(gòu)使飛機以一定的姿態(tài)和航跡完全飛行。同時，飛控器還負責飛機上各個單元的協(xié)調(diào)工作。飛控器一般是一個以單片機或PC機為核心的計算機控制系統(tǒng)，基本功能有：1）保持飛機按給定的高度、航線穩(wěn)定飛行；2）控制飛機按給定的航向角飛行；3）控制飛機按給定的姿態(tài)角機動飛行；4）控制飛機按預定程序自主飛行；5）采集飛行狀態(tài)參數(shù)；6）隨著高度和速度的變化等自動調(diào)整，保持最優(yōu)狀態(tài)；7）進行故障應急處理；8）實時任務設備的控制；等等。

舵機是無人機上的執(zhí)行機構(gòu)，它的作用是：將飛控器的輸出電信號轉(zhuǎn)變成機械位移量，帶動舵面（或發(fā)送機風門）偏轉(zhuǎn)，實現(xiàn)對飛機的姿態(tài)位置（或發(fā)動機轉(zhuǎn)速）控制。舵機分為模擬舵機、數(shù)字舵機兩種。模擬舵機根據(jù)輸入電壓與舵機位置反饋電壓的電壓差調(diào)整轉(zhuǎn)動角度，當電壓差為零時，舵機停止轉(zhuǎn)動，保持此平衡位置。而數(shù)字舵機則是根據(jù)PWM波形的脈沖寬度調(diào)整轉(zhuǎn)動角度。無人機的舵機主要包括升降舵機、副翼舵機和尾翼舵機，其中升降舵機控制飛機的高度以及俯仰平衡，副翼和尾翼舵機控制飛機的左右傾斜平衡和航向。3.研制要求3.1.主要功能3.2.1.CPU主控芯片要求3.2.技術(shù)指標要求3.2.2.設計指標要求3.2.3.外圍接口電路設計要求3.2.4.供電以及功耗要求3.2.5.產(chǎn)品外觀要求3.2.6.設計可靠性要求3.2.7.安全性要求3.2.8.保障性要求3.2.9.三防要求3.2.10.電磁兼容要求3.2.11.產(chǎn)品壽命要求3.2.12.環(huán)境適應性要求3.2.13.加速度要求3.2.14.振動要求3.2.15.運輸要求3.1.主要功能具備兩個獨立的程序運行空間；具有高實時性軟件運行環(huán)境；集成姿態(tài)解算算法；具備輔助無線路由鏈路，支持無線下載，上傳數(shù)據(jù)等；具有電連接器防錯插、接口保護（防靜電、防短路、防過壓、過流）、自鎖防脫等功能；具有電源熱備份功能；提供軟件集成開發(fā)環(huán)境，支持在線仿真調(diào)試。32MB數(shù)據(jù)下載時間要求:無線≤5min,有線≤1min。3.2.技術(shù)指標要求3.2.1.CPU主控芯片要求主頻：≥400Mhz整數(shù)運算能力：≥1000MIPS浮點運算能力：≥2000MFLOPS處理器性能：程序運行空間程序運行空間：≥128Mb；程序存儲空間：≥16Mb；試驗數(shù)據(jù)存儲空間：≥512MB。3.2.2.設計指標要求數(shù)據(jù)更新速率：5Hz；RTK定位精度：1cm+1ppm；冷啟動鎖星時間：<30s。量程：±300deg/s；軸到軸的對準誤差：<0.05度；初始偏執(zhí)誤差±1σ：±1.0deg/s；角度隨機游走1σ：12deg/hr；運動中偏置穩(wěn)定度1σ：1.0deg/hr；線性加速度導致的偏差：±0.013deg/s/g；速率噪音污染（5Hz，無濾波）：0.02deg/s/sqrt(Hz)rms；3dB帶寬：330Hz；校準及補償范圍：-40~85度。量程：±18g；軸到軸的對準誤差：<0.035度；初始偏執(zhí)誤差±1σ：±16mg；運動中偏置穩(wěn)定度1σ：0.13mg；速度隨機游走1σ：0.076m/s/sqrt(hr)；輸出噪聲（無濾波）：1.5mgrms；噪聲密度（無濾波）：0.06mg/sqrt(Hz)rms；3dB帶寬：330Hz；校準及補償范圍：-40~85度。內(nèi)部更新頻率：200Hz。量程：±8高斯；最高采樣頻率：150Hz；航向精度：2.0degrms。靜壓量程：103.35Kpa；壓力誤差：<0.26Kp；高度分辨率：0.8m；動壓：13.78Kpa；支持最大空速：150m/s（540Km/h）；空速精度：5%滿量程；校準及補償溫度范圍：-10~85度。GPS接收機軸陀螺儀軸加速度計軸磁傳感器氣壓傳感器3.2.技術(shù)指標要求1.支持通用數(shù)字GPIO（或者PWM）輸入接口，12路，電平5V；2.支持通用數(shù)字GPIO（或者PWM）輸出接口，12路，電平5V；3.支持RS232通訊接口，傳輸速率支持：9600bps、115200bps；4.支持RS485通訊接口，傳輸速率支持：9600bps、115200bps；半雙工工作模式；5.支持SUS通訊接口；6.支持控制器區(qū)域網(wǎng)絡(CAN)接口；7.支持模擬量輸入檢測，檢測電壓：0~5V，8路，精度16bit；8.支持模擬量輸出，輸出電壓0~5V，8路，精度16bit；3.2.3.外圍接口電路設計要求3.2.技術(shù)指標要求輸入電壓范圍：直流6V～28V；最大功率：≤30W（不包括無線數(shù)據(jù)鏈）。結(jié)構(gòu)尺寸：單個部件≤（145mm×130mm×55mm）；質(zhì)量：單個部件≤5Kg（含電氣接口、不帶GPS天線）；MTBF：不低于100h；連續(xù)工作時間：不低于8h。

滿足GJB900-1990《系統(tǒng)安全性通用大綱》中的一般系統(tǒng)安全性和GJB/Z142-2004《軍用軟件安全性分析指南》要求；應遵循一般電子產(chǎn)品通用設計規(guī)范及要求，避免可能發(fā)生的危險。產(chǎn)品技術(shù)狀態(tài)明確，相關(guān)技術(shù)資料完備齊全，并保存妥當；產(chǎn)品在運輸、貯存、工作過程中嚴格按照產(chǎn)品要求進行。滿足防潮濕、防鹽霧、防霉菌的三防要求。按照GJB151A-1997《軍用設備和分系統(tǒng)電磁發(fā)射和敏感度要求》進行電磁兼容設計，考慮可能存在的干擾源和抗干擾的薄弱環(huán)節(jié)，保證系統(tǒng)內(nèi)和系統(tǒng)外間的電磁兼容性。產(chǎn)品壽命為10年。工作溫度：-40℃～+65℃；儲存溫度：-55℃～+85℃；相對濕度：≤95%（25℃）；工作海拔高度：≤15000m（海拔）；最大加速度：10g（三個方向）；沖擊加速度：≥10g（三個方向）；振動：0～200