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聚星仪器 基于CompactRIO的微型旋翼无人机地面控制系统

放大字体  缩小字体 中国军工网  来源:上海聚星仪器有限公司

 

行业:航空、侦查

应用需求:无人机地面控制平台的目的是测试无人机的飞行特性,为进一步开发无人机打好基础。由于旋翼无人机的垂直起降、可悬停等特点,在2011年的日本大地震中,美国就曾利用类似此非常规布局的旋翼飞行器对福岛核电站的核泄漏情况进行勘察和记录并很好的完成了任务。可想而知,此类飞行器在不久的将来会有很大的发展。

面临的挑战:微型旋翼无人机的最大特点就是能够垂直起飞和降落,可以飞至离目标更近的区域,而不像传统直升机由于其巨大的旋翼不能靠近目标,也正是这个原因,微型旋翼无人机对控制系统的要求极高。


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 使用 NI LabVIEW和CompactRIO 平台作为控制系统编写整个控制系统管理飞行数据采集以及控制飞行。如果此控制系统硬件由实验室自主开发,首先开发周期长,包括硬件设计、原型建造、软件设计和编程、软件测试、系统测试等将会花费掉大量的时间和金钱,而如果选用NI CompactRIO作为系统架构,将会省掉整个硬件设计和调试周期,使我们将大部分精力放在软件调试和系统验证上,大大缩短了开发周期。

 

微型机飞行原理介绍

 

此次项目我们要完成的任务是:开发一个无人机地面控制平台,为实验室自主设计的单旋翼+四气动面微型无人机嵌入控制系统,使其稳定悬停。

 

本无人机是单旋翼四气动面轴对称非常规布局的微型无人机,直径约为30cm,高度约为20cm,无人机的飞行原理是单旋翼提供升力驱动力,定子(Stator)用来抵消部分电机的反扭力矩,旋翼高速旋转产生的气流通过四个气动舵面的偏转来产生反扭力矩并且控制无人机姿态的飞行。

 

硬件和系统结构

 

如果此控制系统硬件由实验室自主开发,首先开发周期长,包括硬件设计、原型建造、软件设计和编程、软件测试、系统测试等将会花费掉大量的时间和金钱,而如果选用NI CompactRIO作为系统架构,将会省掉整个硬件设计和调试周期,使我们将大部分精力放在软件调试和系统验证上,大大缩短了开发周期,所以,我们选用了NI的CompactRIO平台。

 

此地面控制系统是由信号采集模块和实时控制模块组成。信号采集模块由NI 9401来完成,通过配置NI 9401的I/O口,通过CompactRIO FPGA与SPI协议将无人机上IMU(惯性测量元件)的飞机姿态信号采集到CompactRIO实时控制器上,CompactRIO 实时控制器接收由FPGA 传送来的传感器信息并且记录所有飞行数据。CompactRIO FPGA 通过NI-9401数字输入输出模块接收信号,通过NI-9474和NI-9401模块产生PWM激励信号,激励舵机和电机的偏转。

 

软件

 

旋翼无人飞行器系统具有典型的CompactRIO应用设计结构。其中FPGA代码控制SPI协议的传输和5路任意占空比PWM波的生成。我们使用NI LabVIEW Real-Time 开发模块将通过FPGA 读取的飞行数据存储在嵌入式控制器上,利用PID控制算法得到实时的控制信号发送给电机和舵机。利用MAX软件开发CompactRIO设备与PC机得以太网通信。在地面控制台,我们使用笔记本电脑用LabVIEW开发了友好的人机交互界面来实时显示无人机的飞行信息。

 

成果

 

微型旋翼无人机在基于CompactRIO平台的控制下,成功实现了6s悬停。据作者所知,国内尚没有此类飞行器的悬停视频。

 

结论

 

NI 的CompactRIO 在这个项目的开发中起了核心的作用,它的易用性,可靠性以及可编程性对旋翼无人机的控制已经足够。它大大的缩短了无人机的开发周期,是测试无人机飞行特性系统的理想选择。以后,我们要用更多的传感器,更充分的发挥CompactRIO的强大功能,最终实现智能飞行。

 

 
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