航模直升机微型组合导航与控制系统研究

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1、May.2010中国民航飞行学院学报Vol.21No.3JournalofCivilAviationFlightUniversityofChina37航模直升机微型组合导航与控制系统研究王强（中国民航飞行学院新津分院四川新津611430）摘要：以JR-260型航模直升机为研究对象，基于嵌入式Linux操作系统，开发一套微型组合导航与控制系统。系统硬件采用了组合导航系统MNAV100CA和嵌入式飞行控制计算机Stargate，集成了固态的加速度计、角速率传感器、磁航向计、大气机和GPS接收机，以及R/C接收机脉位调制（PPM）航模舵机接口。软

2、件设计采用扩展的卡尔曼滤波和状态监视方法实现了导航系统设计，基于实时Linux线程机制编制了航模舵机的驱动程序，以802.11b无线网络实现空中飞参信号的实时下传，并在便携式地面站上实现了实时监控功能。关键词：航模直升机组合导航嵌入式飞行控制计算机1．引言主旋翼平面绕水平面的偏转角度来实现直升机的以JR-260航模直升机为研究对象，详细介绍了前进后退和翻滚，通过尾舵的偏转来改变直升机的航模直升机组合导航与控制系统的功能与特点，其飞行方向。中包括航模直升机、组合导航系统、飞控计算机及3．组合导航系统伺服器组等。MNAV100CA组合导航系统是

3、低成本的飞行本项工作以Crossbow公司的Stargate（微型嵌器传感器套装，具有片上R/C伺服控制器，可以选入式计算机）作为飞行控制计算机，并以该公司的择连接自动驾驶接口的标准51针接头。片上传感MNAV100CA（组合导航系统）作为组合导航系统，器封装包括固态的加速度计、角速率传感器和磁航采用商业的测试设备、软件、硬件和现代的电子器向计，用于内回路控制和静压（高度）、动压（空件，构成了一种低成本的组合导航与控制系统。速）测量。组合导航系统的片上伺服器控制包括R/C2．JR-260型航模直升机简介伺服器控制硬件和一个R/C接收机脉位调

4、制（PPM）本文所采用的航模直升机为JR-260型直升机，接口。R/C伺服器硬件包括多达9个软件控制的独主要技术参数如表1所示。立伺服器，PPM接口可使软件解码R/C接收机命表1航模直升机主要技术参数令，由此可为用户提供自动软件控制和手动控制。自重6400g数据以RS-232标准串口输出。每个组合导航传感重量载重量>4000g器均包含GPS天线、接口线缆。机身全长1555mm3.1基于扩展卡尔曼滤波的组合导航系统机身宽230mm基于离散系统扩展卡尔曼滤波下的尺寸机身高600mmAHRS(AttitudeHeadingReferenceSys

5、tem)和INS主旋翼直径1770mm（InertialNavigationSystem）构成了“估计方程”和尾桨直径265mm“修正方程”。发动机燃料汽油估计方程：∧∧XX()−=Φi()+ik−1制冷方式风冷k−1T飞行时间一次起落>45分钟PPQiikk()−=Φ−−11ik()+Φik−1+i∂fi航模直升机在飞行过程中，一方面要保证主旋⏐κΔtΦ=e∂xi翼高速旋转，另一方面通过调整主旋翼绕翼长轴方ikWNQ=(0,)∀i=1,2i向的偏转角度来实现直升机的上升下降，通过调整中国民航飞行学院学报May.201038Journalo

6、fCivilAviationFlightUniversityofChinaVol.21No.3修正方程：飞控系统。该系统不仅具有较强的数据实时采集和∧∧∧XXK()+=i()−+[−yh(())X−]传输能力，而且具有地面站监控关键功能，地面站kiiiikkk监控软件可通过无线网络接收并分析传感器所采PI()+=[−KH]−P()iikkiikik集的数据，实现地面监控和数据记录。高集成度的TT−1KPHH=−[()PHR()−+]iikkiikkikiik组合导航传感器和飞行控制计算机构成的导航与∂hVNR=(0,),∀=i1,2H=⎢i

7、i飞行控制系统及舵机如图1所示。ikκ∂xi式中Δt是样本间隔，和分别是过程误差协方QRii差阵、测量误差协方差阵，P是误差协方差阵。i3.2扩展卡尔曼滤波在组合导航系统中的作用在组合导航系统中，引入扩展卡尔曼滤波对提高组合系统的精度具有重要的意义。扩展卡尔曼滤波可以对各个分系统输出的导航信号实行“加权求和”，实时地输出误差为最小的导航信号。更为重要的是，对组合导航系统中一些不能直接测量的误差项，例如，陀螺仪的漂移速度等，扩展卡尔曼滤波可以借助于惯性导航系统外部的参考测量信号，图1导航与飞行控制系统及舵机间接地推算出它们的估计值，从而实时地

8、加以补5.2导航与飞行控制系统配置偿。它的优点如下：为了控制航模直升机的飞行过程，需要确定航（l）不要求保存过去全部的测量数据，只需要模直升机的空间位置和飞行姿态，然后利用飞行控