航空器模型飛行試驗(yàn)飛控系統(tǒng)硬件平臺(tái)方案評(píng)審V.11

航空器模型飛行試驗(yàn)飛控系統(tǒng)硬件平臺(tái)方案評(píng)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(jìn)度51.概述

本研制方案是受中國(guó)空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心計(jì)算空氣動(dòng)力學(xué)研究所委托，根據(jù)航空器模型飛行實(shí)驗(yàn)的需求，設(shè)計(jì)的航空器模型飛行試驗(yàn)飛行控制系統(tǒng)硬件平臺(tái)。方案的設(shè)計(jì)主要依據(jù)《航空器模型飛行試驗(yàn)飛控系統(tǒng)硬件平臺(tái)研制總體方案設(shè)計(jì)》合同以及技術(shù)要求進(jìn)行。2.1.2.2控制回路2.1.2.1控制對(duì)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(jī)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(wú)人機(jī)上的功能1、飛行控制即無(wú)人機(jī)在空中保持飛機(jī)姿態(tài)和航跡的穩(wěn)定，以及按地面無(wú)線電遙控指令或者預(yù)先設(shè)定好的高度、航線、航向、姿態(tài)角等改變飛機(jī)姿態(tài)與航跡，保證飛機(jī)的穩(wěn)定飛行，值就是通常所謂的自動(dòng)駕駛。2、飛行管理即完成飛行狀態(tài)參數(shù)采集、導(dǎo)航計(jì)算、遙測(cè)數(shù)據(jù)傳送、故障診斷處理、應(yīng)急情況處理、任務(wù)設(shè)備的控制與管理等工作。著也是無(wú)人機(jī)進(jìn)行無(wú)人飛行的基礎(chǔ)。

飛行控制的目的是通過(guò)飛行器的姿態(tài)和軌跡來(lái)完成飛行器的各種模態(tài)的控制任務(wù)，這主要通過(guò)飛行控制系統(tǒng)來(lái)完成。飛行控制系統(tǒng)作為飛行器機(jī)載設(shè)備的核心組成部分，能否正常工作直接影響著飛機(jī)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(duì)象飛行控制系統(tǒng)改變或保持飛機(jī)的飛行姿態(tài)及航跡。主要通過(guò)控制以下飛行參數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)：1）俯仰角2）傾斜角3）飛行高度4）飛機(jī)中心的地理坐標(biāo)其中俯仰角、傾斜角實(shí)現(xiàn)對(duì)飛機(jī)姿態(tài)的調(diào)整飛行高度、航向角、飛機(jī)中心的地理坐標(biāo)實(shí)現(xiàn)對(duì)航跡的控制。執(zhí)行機(jī)構(gòu)改變飛機(jī)的各個(gè)控制面（也稱操作縱面）從而實(shí)現(xiàn)對(duì)飛行參數(shù)的控制的。無(wú)人機(jī)主要有三個(gè)控制面：升降舵、副翼和尾翼（方向舵）。

a）升降舵主要控制飛機(jī)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(yīng)的控制設(shè)備就構(gòu)成了飛機(jī)的三個(gè)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(dòng)控制系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)飛機(jī)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(guò)對(duì)飛機(jī)俯沖仰角、滾動(dòng)角、速度、高度等的調(diào)整，模仿飛行員的操縱，自動(dòng)的保持和控制飛機(jī)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(gè)典型的閉環(huán)控制系統(tǒng)?？刂骑w行的原理：飛機(jī)如果偏離控制器預(yù)設(shè)狀態(tài)（飛行姿態(tài)改變），由傳感器探測(cè)到偏離方向及大小，對(duì)控制器輸出相應(yīng)信號(hào)?？刂破鹘?jīng)過(guò)運(yùn)算處理，輸出控制信號(hào)操縱執(zhí)行機(jī)構(gòu)（即舵機(jī)），控制面發(fā)生相應(yīng)變化，使飛機(jī)趨于設(shè)定狀態(tài)。當(dāng)飛機(jī)達(dá)到預(yù)定狀態(tài)，則舵機(jī)及相應(yīng)舵面回歸原位，飛機(jī)按設(shè)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(jī)高度和航向等），從而構(gòu)成一個(gè)飛行控制系統(tǒng)。

eg.飛機(jī)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(jiǎn)稱飛控器），飛控器發(fā)出指令控制舵機(jī)，使升降舵下壓，機(jī)翼產(chǎn)生力矩使飛機(jī)俯仰角變化（飛機(jī)頭向下傾斜）。傳感器測(cè)的姿態(tài)變化并反饋到飛控器，通過(guò)姿態(tài)控制使飛機(jī)保持下降姿態(tài)。高度達(dá)到600米時(shí)，高度傳感器將測(cè)取的高度信號(hào)反饋到航跡控制器，航跡控制器發(fā)出指令，控制舵機(jī)使升降舵上抬，飛機(jī)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(jī)改向。2.2.飛行控制系統(tǒng)基本構(gòu)成地面遙控?zé)o人機(jī)飛行控制系統(tǒng)機(jī)載飛行控制系統(tǒng)（核心）遙控操作器負(fù)責(zé)飛行目標(biāo)規(guī)劃和各項(xiàng)數(shù)據(jù)分析防止自主飛行機(jī)構(gòu)失控負(fù)責(zé)采集飛機(jī)各項(xiàng)飛行參數(shù)、維持飛機(jī)的穩(wěn)定飛行和姿態(tài)控制飛行控制器傳感器舵機(jī)升降舵機(jī)副翼舵機(jī)風(fēng)門(mén)舵機(jī)速度傳感器高度傳感器GPS導(dǎo)航接收機(jī)電子羅盤(pán)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(hào)的一種裝置。原理：u=f（x）；u為傳感器輸出電信號(hào)，x為被測(cè)非電物理量，u與x呈線性關(guān)系。無(wú)人機(jī)中常用到以下類型的傳感器：電子羅盤(pán)

電子羅盤(pán)用于測(cè)量飛機(jī)的俯仰角、傾斜角以及航向角等與飛機(jī)姿態(tài)相關(guān)參數(shù)。電子羅盤(pán)將物理信號(hào)轉(zhuǎn)換為帶極性的電壓信號(hào)，表示角度的大小與正負(fù)。現(xiàn)在一般的羅盤(pán)模塊都將傳感頭及其解算電路一體化，直接采用標(biāo)準(zhǔn)串口輸出數(shù)字信號(hào)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(shí)現(xiàn)對(duì)飛機(jī)飛行高度的測(cè)量，其關(guān)系可表示為：UH=KHUH為輸出信號(hào)，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(shí)際飛行時(shí)關(guān)心的是飛機(jī)相對(duì)起飛點(diǎn)的高度，因此，不同地區(qū)飛行要在地面對(duì)高度傳感器進(jìn)行調(diào)零，使H為相對(duì)起飛點(diǎn)高度。飛機(jī)速度可以根據(jù)飛機(jī)向前飛行時(shí)所產(chǎn)生的壓力、所在位置的大氣靜壓（高度傳感器測(cè)得的氣壓）以及他們之間的壓差解算得到。飛機(jī)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(shí)間變化進(jìn)行解算。GPS（GlobalPositioningSystem）衛(wèi)星定位接收機(jī)

GPS衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)是以串行碼形式，輸出飛機(jī)經(jīng)過(guò)的經(jīng)/緯度坐標(biāo)和飛行速度向量等信息，采用控制飛機(jī)的重心位置（航跡）。GPS一般采用“多星、高軌、測(cè)時(shí)、測(cè)距”體制，以實(shí)現(xiàn)全球覆蓋、全天候、高精度、連續(xù)實(shí)時(shí)導(dǎo)航定位等。GPS本身是一個(gè)復(fù)雜系統(tǒng)，在飛行控制系統(tǒng)中，它僅是一個(gè)提供飛機(jī)經(jīng)/緯度坐標(biāo)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(jī)飛行控制器

飛行控制器（以下簡(jiǎn)稱飛控器）是飛行控制系統(tǒng)的核心，也是無(wú)人機(jī)的中央控制單元。飛控器根據(jù)控制指令（含預(yù)定指令和地面指令等）和實(shí)時(shí)測(cè)量信息，采用一定控制算法進(jìn)行決策，控制各個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)使飛機(jī)以一定的姿態(tài)和航跡完全飛行。同時(shí)，飛控器還負(fù)責(zé)飛機(jī)上各個(gè)單元的協(xié)調(diào)工作。飛控器一般是一個(gè)以單片機(jī)或PC機(jī)為核心的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，基本功能有：1）保持飛機(jī)按給定的高度、航線穩(wěn)定飛行；2）控制飛機(jī)按給定的航向角飛行；3）控制飛機(jī)按給定的姿態(tài)角機(jī)動(dòng)飛行；4）控制飛機(jī)按預(yù)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(dòng)調(diào)整，保持最優(yōu)狀態(tài)；7）進(jìn)行故障應(yīng)急處理；8）實(shí)時(shí)任務(wù)設(shè)備的控制；等等。

舵機(jī)是無(wú)人機(jī)上的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，它的作用是：將飛控器的輸出電信號(hào)轉(zhuǎn)變成機(jī)械位移量，帶動(dòng)舵面（或發(fā)送機(jī)風(fēng)門(mén)）偏轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)飛機(jī)的姿態(tài)位置（或發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速）控制。舵機(jī)分為模擬舵機(jī)、數(shù)字舵機(jī)兩種。模擬舵機(jī)根據(jù)輸入電壓與舵機(jī)位置反饋電壓的電壓差調(diào)整轉(zhuǎn)動(dòng)角度，當(dāng)電壓差為零時(shí)，舵機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，保持此平衡位置。而數(shù)字舵機(jī)則是根據(jù)PWM波形的脈沖寬度調(diào)整轉(zhuǎn)動(dòng)角度。無(wú)人機(jī)的舵機(jī)主要包括升降舵機(jī)、副翼舵機(jī)和尾翼舵機(jī)，其中升降舵機(jī)控制飛機(jī)的高度以及俯仰平衡，副翼和尾翼舵機(jī)控制飛機(jī)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(biāo)要求3.2.2.設(shè)計(jì)指標(biāo)要求3.2.3.外圍接口電路設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)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(yīng)性要求3.2.13.加速度要求3.2.14.振動(dòng)要求3.2.15.運(yùn)輸要求3.1.主要功能具備兩個(gè)獨(dú)立的程序運(yùn)行空間；具有高實(shí)時(shí)性軟件運(yùn)行環(huán)境；集成姿態(tài)解算算法；具備輔助無(wú)線路由鏈路，支持無(wú)線下載，上傳數(shù)據(jù)等；具有電連接器防錯(cuò)插、接口保護(hù)（防靜電、防短路、防過(guò)壓、過(guò)流）、自鎖防脫等功能；具有電源熱備份功能；提供軟件集成開(kāi)發(fā)環(huán)境，支持在線仿真調(diào)試。32MB數(shù)據(jù)下載時(shí)間要求:無(wú)線≤5min,有線≤1min。3.2.技術(shù)指標(biāo)要求3.2.1.CPU主控芯片要求主頻：≥400Mhz整數(shù)運(yùn)算能力：≥1000MIPS浮點(diǎn)運(yùn)算能力：≥2000MFLOPS處理器性能：程序運(yùn)行空間程序運(yùn)行空間：≥128Mb；程序存儲(chǔ)空間：≥16Mb；試驗(yàn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間：≥512MB。3.2.2.設(shè)計(jì)指標(biāo)要求數(shù)據(jù)更新速率：5Hz；RTK定位精度：1cm+1ppm；冷啟動(dòng)鎖星時(shí)間：<30s。量程：±300deg/s；軸到軸的對(duì)準(zhǔn)誤差：<0.05度；初始偏執(zhí)誤差±1σ：±1.0deg/s；角度隨機(jī)游走1σ：12deg/hr；運(yùn)動(dòng)中偏置穩(wěn)定度1σ：1.0deg/hr；線性加速度導(dǎo)致的偏差：±0.013deg/s/g；速率噪音污染（5Hz，無(wú)濾波）：0.02deg/s/sqrt(Hz)rms；3dB帶寬：330Hz；校準(zhǔn)及補(bǔ)償范圍：-40~85度。量程：±18g；軸到軸的對(duì)準(zhǔn)誤差：<0.035度；初始偏執(zhí)誤差±1σ：±16mg；運(yùn)動(dòng)中偏置穩(wěn)定度1σ：0.13mg；速度隨機(jī)游走1σ：0.076m/s/sqrt(hr)；輸出噪聲（無(wú)濾波）：1.5mgrms；噪聲密度（無(wú)濾波）：0.06mg/sqrt(Hz)rms；3dB帶寬：330Hz；校準(zhǔn)及補(bǔ)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(dòng)壓：13.78Kpa；支持最大空速：150m/s（540Km/h）；空速精度：5%滿量程；校準(zhǔn)及補(bǔ)償溫度范圍：-10~85度。GPS接收機(jī)軸陀螺儀軸加速度計(jì)軸磁傳感器氣壓傳感器3.2.技術(shù)指標(biāo)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(luò)(CAN)接口；7.支持模擬量輸入檢測(cè)，檢測(cè)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(shè)計(jì)要求3.2.技術(shù)指標(biāo)要求輸入電壓范圍：直流6V～28V；最大功率：≤30W（不包括無(wú)線數(shù)據(jù)鏈）。結(jié)構(gòu)尺寸：?jiǎn)蝹€(gè)部件≤（145mm×130mm×55mm）；質(zhì)量：?jiǎn)蝹€(gè)部件≤5Kg（含電氣接口、不帶GPS天線）；MTBF：不低于100h；連續(xù)工作時(shí)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(yīng)遵循一般電子產(chǎn)品通用設(shè)計(jì)規(guī)范及要求，避免可能發(fā)生的危險(xiǎn)。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(dāng)；產(chǎn)品在運(yùn)輸、貯存、工作過(guò)程中嚴(yán)格按照產(chǎn)品要求進(jìn)行。滿足防潮濕、防鹽霧、防霉菌的三防要求。按照GJB151A-1997《軍用設(shè)備和分系統(tǒng)電磁發(fā)射和敏感度要求》進(jìn)行電磁兼容設(shè)計(jì)，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(chǔ)存溫度：-55℃～+85℃；相對(duì)濕度：≤95%（25℃）；工作海拔高度：≤15000m（海拔）；最大加速度：10g（三個(gè)方向）；沖擊加速度：≥10g（三個(gè)方向）；振動(dòng)：0～200