微小型无人机飞行控制系统的设计与实现

微小型无人机飞行控制系统的设计与实现

               ,童建松

杭州博达伟业公共安全技术股份有限公司    浙江省杭州市310000

摘要：为了分析无人机工作的实际特点，我们针对现阶段的微小型无人机飞行控制系统进行了细致化的研究，针对性的设计出了一套微笑无人机的自动飞行控制管理系统。这项技术的研究，将无人机与各个自动控制系统之间的功能实现了串联，实现了数字化系统管理模式的优化。本文通过建立起微小型无人机飞行控制系统的数字化模型，设计了无人机姿态保持以及轨迹控制管理基础规律，通过仿真实践结果分析观察可知，设计的控制效果达到了较为稳定的无人机操作运行功能要求，满足了整个系统工作的设计构思，是现阶段推动微小型无人机飞行控制系统构建的主要措施手段。

关键词：微小无人机；飞控软件；设计

无人机近年来在我国的发展速度较快，可以有效地执行多种任务，在军用和民用领域都发挥这种积极地作用。尤其小型无人机可以实现战术侦察、目标指示、精准投放、战果评估、探测分析、环境监控、人员搜救、通信中继等工作任务。与有人驾驶的飞机之间进行比较，这种设备的工作除却储存量小、重量轻、速度快的优势之外，本身的机动性效果较好，能够满足各种工作需求，也能完成各项飞控工作的信号传输，满足系统设计的各种需求。

一、微小型无人机飞行控制系统的建模

通过对系统进行综合分析，人们通过对微小型无人机飞行控制系统的模型构建，将具体问题系统化，通过数学模型进行分析，再利用计算机仿真实践的措施手段对相关的设计方案进行印证。

1、无人机坐标系的构建

要对无人机实现建模，坐标系构建必不可少。坐标系的构建是一切系统的参考依据，无人机之中的参数信息也是在坐标系之中构建的。由于作用在无人机上的重力、空气动力以及外部动力等原因各有不同，因此在进行无人机坐标系构架的过程中需要不同的坐标系对整个无人机空间运作的状态进行确定和描述。选择适当的坐标系完成数据参数的表示行为边界。例如选择地面坐标系可以实现重力分析比较分析，集体坐标系可以实现发动机推力的比较分析，而空气动力则是在流动气流坐标系之中可以实现便捷的分析。

2、参数的定义分析

和有人驾驶的飞机一样，无人机本身的飞行运动参数主要指如何完整的描述无人机在空中飞行过程中所需要的变量，这些参数可以确定无人机的运动状态。无人机的动力学方程可以计算和分析这个过程中的参数信息，将这个过程中的气动参数充分的表现出来。

3、无人机动力方程的构建

无人机多数可以使用六自由度十二个运动状态，其本身通用的线性数学模型可以通过微分方程的形式进行表述。因为无人航程相对较近，自身速度较低，因此可以对无人机的动力放出进行一定的假设分析。一是假设飞机是一个刚体，忽视飞机本身的弹性影响，自身的质量就是一个常数。而是降低其作为一个惯性的系统结构，忽视地球本身的自转以及公转的影响，我们可以将地球认为是一个静止状态的参考依据。通过不同的假设分析，只有做好无人机本身的动力方程的构建，才能保证最佳的工作效果。

二、飞行控制规律的设计以及仿真

在进行无人机的控制系统设计工作中，我们多数将无人机纵向控制和侧向控制系统进行区分设计，主要是因为这两个部分之间的内部六个自由度的气动力交联效果较强，而两组之间的气动力交联相对较弱。纵向控制可以实现无人机俯仰角的保持推进，也可以大幅度地保持最终的效果，横侧向控制无人机的滚转角可以保持航向上的转换，这样可以将问题逐渐的简化。首先在进行飞行控制规律的设计分析中我们需要做好纵向控制管理。飞机在各种不同高度完成工作的过程中，都要求以一种稳定的姿势状态进行工作，通过姿态控制管理达到控制管理下所要求的飞行轨迹特点。在姿态控制系统之中增设一个俯仰阻尼器的内环，这样可以让整个系统保持稳定性。内环增益逐渐变高，外环本身的稳定性也会较高，可以提升系统稳定性效果。纵向控制管理通过升降舵完成控制，包含了两个基础的回路，也就是姿态控制回路以及外回路等等。

三、飞控系统的硬件设计

飞行控制系统是无人机控制管理计算分析的核心，飞行控制系统的硬件主要包含计算机、导航计算机、舵机以及传感器构建而成。

飞行控制计算机是整个微小型无人机飞行控制系统的核心，主要是通过传感器信息的输入，对于相关的数据信息存储，以更好地为无人机做好飞行指令的构建，以便于控制无人机完成飞行。而传感器主要负责的是测量无人机本身的工作状态，包括无人机的姿态、高度以及发动机转速等等。相应的传感器主要是为了实现测量分析而实现的。多回路主要是指以舵机为基础的执行元件，微小型无人机飞行控制系统之中所使用的舵机都是小型的数字化舵机，通过飞控计算机的指令，有效地实现数字舵机的操作。

四、微小型无人机飞行控制系统软件开发与测试分析

飞行控制与管理软件之间的工作主要是为了保持无人机的有效飞行状态，从而控制动力系统完成有效的输出管控。飞行控制以及管理软件划分为飞行控制和管理两个主要的部分。

飞行管理软件主要是在飞行起初以及回收的整个过程中，对于飞机运作的工作状态进行实时的监控分析，完成对于任务设备管理、动力装置支持、遥控遥测装置管理。实时的䞼飞机飞行状态的反馈以及做好地面操作人员的任务指令接收处理，完成全工作状态下的故障诊断分析以及应急处理管控等任务内容。其主要的工作性能和可靠性对于微小型无人机飞行控制系统的实际操作有着较为直接的影响。飞行管理主要划分为导航管理操作系统、数据链通信管理系统、飞机状态监控管理系统、动力状态监控系统以及任务监控管理系统等等。其中导航管理又划分为航路规划分析、导航参数计算分析、导航传感器检测分析、导航模式管理以及自动返航管理等基础的程序以及模块内容。飞行控制软件实现了三轴姿态稳定的控制管理，同时也能有效的保证飞行轨迹的稳定性，做好飞行工作的控制。

总结：本文所设计的微小型无人机飞行控制系统不仅包含数字仿真也包含实物的控制管理。通过相关的结果分析和数字研究观察可知，当前的微小型无人机飞行控制系统设计工作可以有效地满足不同的飞行控制任务要求。通过设计微小型无人机飞行控制系统的硬件设施，可以加快对于多元化数字感应的实现，同时通过开发微小型无人机飞行控制系统嵌入式的软件，

参考文献

[1] 江超.   IEEE802.15.4协议在软件无线电平台上的优化实现 [D]. 国防科学技术大学. 2010

[2] 邓战满.   基于组件的卷烟企业通用数据采集系统设计与实现 [D].国防科学技术大学. 2011

童建松 男 1977.7 浙江兰溪 321100  杭州博达伟业公共安全技术股份有限公司 专科 机电制造（设计开发）方向