（控制科学与工程专业论文）某型无人机实时数据处理与控制律实现.pdf

西北工业大学硕七学位论文 摘要 摘要 无人机的发展与技术革新受到越来越多国家的关注，许多国家都在无人机的 开发与研制工作中加大了人力和物力的投入。本文研究的主要内容是某型无人机 控制系统的实时数据处理和控制律的半物理仿真实现方面的问题。 设计实现了传感器标定建模，以无人机系统中倾角传感器、气压高度传感器 和空速传感器等为例，进行了传感器数据的标定拟和，得到了各传感器的静态模 型。从工作原理上分析了倾角传感器容易受振动噪声干扰这一问题，设计了 k a l m a n 滤波器，并采用遗传算法对滤波器参数进行寻优，就实测数据给出了滤波 器的滤波效果图。 基于无人机的飞行控制和实现技术，本文阐述了无人机半物理仿真系统的基 本结构，详细介绍了半物理仿真系统中无人机模型的建立，设计实现了相应的半 物理仿真系统，对控制系统进行了系统的地面半物理仿真研究。对平飞、左向盘 旋模态进行仿真，将半物理仿真试验结果与全数字仿真结果进行对比，验证了控 制系统各项功能的正确性，为试飞调参奠定了基础。为了提高半物理仿真系统的 稳定性，兼容性，扩展出更为友好的人机界面，本文最后尝试将半物理仿真系统 移植到w m 2 0 0 0 p 操作系统环境下。通过编写运行在w i n 2 0 0 0 p 操作系统核 心态的设备驱动程序解决了移植过程中的驱动程序与应用程序通讯问题和内核精 确定时问题。 关键词：传感器标定 k a i m a n 滤波 半物理仿真 无人机 西北工业大学硕士学位论文摘要 a b s t r a c t m o r ea n dm o r ea t t e n t i o nh a v e b e e np a i dt ot h ed e v e l o p m e n ta n dt e c h n i c a l r e n o v a t i o no fu n m a n n e da e r i a lv e h i c l e ，a n dm o r ea n dm o r em a n p o w e ra n dm a t e r i a l r e s o u r c e sh a v eb e e ni n v e s t e di n t ot h er e s e a r c ho fu n m a n n e da e r i a lv e h i c l ei nm a n y c o u n t r i e s i nt h i st h e s i s ，as e r i e so fp r o b l e m sc o n c e r n e dw i t hs i g n a ld e t e c t i o n , s i g r l a l p r o g r e s s i o na n dr e a l i z a t i o no fc o n t r o ll a wo fak i n do fu n m a n n e da e r i a lv e h i c l ec o n t r o l s y s t e mr e s e a r c h e di ns o m ep r o j e e ta r ed i s c u s s e da n ds o l v e d t h ec a l i b r a t i o ns y s t e mo fs e n s o ri s d e s i g n e da n dr e a l i z e d s e n s o r si nt h e u n m a n n e da e r i a lv e h i c l es y s t e ms u c ha sa t t i t u d ea n g l es e n s o r , b a r o m e t r i ch e i g h ts e i l s o r a n da i r s p e e ds e n s o ra r ec a l i b r a t e dt i m e sw i t h o u tn u m b e r e a c ho ft h e i rs t a t i o n a r y m o d e l si sd e d u c e d f u r t h e r m o r e ，m o d e l i n gm e t h o do fs e n s o ri ss t u d i e dt h e o r e t i c a l l y k a i m a nf i l t e ra r ed e s i g n e dt os o l v et h ep r o b l e mt h a tt h ea t t i t u d ea n g l es e n s o ra n d a t t i t u d ea n g l er a t es e n s o ra r ed i s t u r b e de a s i l yb yn o i s e t h es i m u l a t i o nr e s u l t so ft h e s e t w ok i n d so f f i l t e r sa r eg i v e nb a s e do ne x p e r i m e n t a ld a t a t h e f l i g h t c o n t r o l t e c h n i q u e o ft h eu n m a n n e da e r i a lv e h i c l ei ss t u d i e d s e m i - p h y s i c a ls i m u l a t i o no ff l i g h tc o n t r o ls y s t e mi sd e s i g n e da n dr e a l i z e d ，a n dt h e c o m p o s i n go fs e m i p h y s i c a ls i m u l a t i o ni si n t r o d u c e d s e m i - p h y s i c a ls i m u l a t i o ni s c a r r i e do u t ，t h er e s u l t so f s e m i - p h y s i c a ls i m u l a t i o na n dd i g i t a ls i m u l a t i o na t ec o m p a r e d ， w h i c hf 1 1 l l yv e r i f i e dt h a tt h ec o n t r o ls y s t e mi sr e l i a b l ea n di tc a i lb ea p p l i e dt om g h t t e s t t oi m p r o v et h es t a b i l i t yo ft h es e m i - p h y s i c a ls i m u l a t i o no fn i g h tc o n t r o ls y s t e m , g r e a te f f o r t sw e r et a k e nt ot r a n s p l a n tt h es e m i - p h y s i c a ls i m u l a t i o no ff l i g h tc o n t r o l s y s t e mo n t ow i n 2 0 0 0 x po p e r a t i n gs y s t e m k e yw o r d s ：s e n s o rc a l i b r a t i o n k a l m a nf i l t e r s e m i - p h y s i c a ls i m u l a t i o n u n m a n n e da e r i a lv e h i c l e 西北工业大学硕士论文 第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题目的和意义 1 6 无人机( u n m a n n e da e r i a lv e h i c l e ) 已逐渐成为一种现代军事装备，随着现 代化信息战逐步取代工业时代的机械战争，无人机的优势日益突出，使其占有其 它军事武器不可替代的重要地位。 无人机适应“零伤亡”的作战要求，在危险区域执行侦察任务时，不必冒生 命危险，并且能够昼夜持续作战；无人机无需载员，因而可以做到结构简单轻便， 造价和维护费用低：无人机可以在超低空至超高空的广阔空间中长期盘旋，在复 杂的气象条件下监视战场，实时提供霄缅情报，是卫星和其他侦察手段的有利补 充。 目前，无人机的发展与技术革新受到越来越多的关注。我国无人机的研制工 作始于2 0 世纪6 0 年代初。从1 9 6 2 年西北工业大学研制出靶机，至今已推出近2 0 种型号无人驾驶飞机，多家科研机构、院校、航空公司和军事单位参与了无人机 的型号任务。信息化是当前世界新军事变革的核心，我军完成机械化、信息化建 设的双重历史使命任重道远，无人机的研制与应用将发挥重要作用。但目前，我 国从投入、技术实力、研制生产、试验、情报搜集等方面，与国外的研究成果相 比。仍然处于起步阶段，很多关键的技术问题尚在初步的探索研究中。 本文结合西北工业大学自动化学院和某厂签订的某型无人数字式自动驾驶仪 研制项目，以项目过程中遇到的问题为出发点，研究无人机系统设计中遇到的若 干问题。 1 2 无人机发展概况 1 4 1 6 】 2 3 自从1 9 1 7 年英国研制出世界上第一架无人机，无人机已经历了无人靶机、预 编程序控制无人侦察机、指令遥控无人侦察机和复合控制的多用途无人机的发展 过程。在越南战争，中东战争，海湾钱争和科索沃战争中，无人机卓有成效地捎 西北工业大学硕士论文第一章结论 行了多种军事任务，包括：照相侦察、撒传单、信号情报搜集、布撒雷达干扰箔 条、防空火力诱饵、防空阵地位置标识、直升机航路侦察，为武器系统提供目标 定位、目标指示、目标动态监视和目标毁伤评估的实时情报。 无人机以突出的战绩使各国高层军事首脑对它刮目相看，各国对无人机作为 军队战斗力倍增器的作用与地位及其潜在的军事价值取得了共识，从而为无人机 的迅速发展提供了强大动力。进入9 0 年代，冷战结束后各国军费削减、军队裁员， 迫使军方努力寻求既能完成特定任务，又花费较少的途径这无疑对无人机的发 展提供了机遇。2 0 世纪电子投术和航空航天技术的 毛速发展为无人机满足军事 需求在技术上提供丁可能。以上因素促使世界无人机的发展进入了一个新的时代 并在2 0 世纪末形成了三次发展浪潮。 第一个浪潮足在海湾战争之后师级战术无人机系统的发展。代表性机型有： 以色列的“侦察兵”( s c o u t ) 、“先锋”( p i o n e e r ) 、“搜索者”( s e a r ；美国 的“猎人”(、“先驱者”；法国的玛尔特, c h 、e f “) h u n t e r ) ( o u t r i d e r ) ( m a r t ) 红隼” ( c r e c e r e l l e ) 、德国的布置维尔( b r e v e ) ；加拿大的c l 一2 8 9 ：英国的“不死鸟” ( p h o e n i x ) ；意大利的米拉奇( m i r a c h ) 2 6 ；南非的“探索者”( s e e k e r ) 、“秃鹫” ( v u l t u r e ) 和俄罗斯的“熊蜂”( s h m e l ) 2 等等。 第二个浪潮是自从美国的“捕食者”( p r e d a t o r ) ( 蒂尔h ) 中空长航时无人机 在波黑和科索沃战场试用获得成功之后中高空长航时无人机的研制。代表性机型 有：美国的“捕食者”( p r e d a t o r ) ( 蒂尔) 、“全球鹰”( g l o b a l h a w k ) ( 蒂尔i i + ) 、 “暗星”( d a r k s t a r ) ( 蒂尔i ；以色列的“苍鹭”( h e r o n ) 、赫尔姆斯( h e m e s ) ； 和法国的“鹰”( e a g l e ) 、萨若海尔( s a r o h a l e ) 等。 第三个浪潮是2 0 世纪末出现固定翼和旋翼旅团级战术无人机系统。代表性 机型有：美国的“影子”( s h a d o w ) 2 0 0 、“火线侦察兵”( f i r es c o u t ) 和奥地利的 坎姆考普特( c a m c o p t e r ) 等。 靶机是无人机派生出的个重要分支，主要作为空中威胁兵器的动态模拟器， 是检验与鉴定防空兵器有效性和部队训练的必要手段。靶机技术目前己相当成熟， 生产批量很大，有些多用途靶机通过更换有效载荷，可执行一部分简单的侦察、 电子对抗和目标毁伤评估任务，充当无人杌的廉价代用品。 我国对无人机的研究始于6 0 年代，起初主要是小型靶机和民用无入机。1 9 7 2 年，我军在境内击落了美瑞安a q m - 3 4 无人枫，从此开始对无入机系统进行研究工 2 西北工业大学硕士论文 第一章绪论 作。从事研究的机构以高校为主，如西工大，南航，北航。南航利用退役的歼6 喷气发动机研制出“长空”系列靶机。西工大无人机研究所从6 0 年代即开始研制 小型无人机，并取得了骄人的成绩，其无人机主要有靶机、地质勘探无人机、无 人侦察机等。近年研制的通用小型无人机，机载任务设备有摄像机、照相机、红 外、电子干扰、电子侦察等多种设备，可以完成多种任务，其技术先进，现已装 备部队。可以预见，我国自行研制的无人机种类将越来越多，性能也将越来越先 进。 1 3 无人机的关键技术和发展趋势 1 6 无人机的关键技术有数据传输、地面控制、动力装置、任务载荷、图像情报、 e o i r 传感器、机载雷达、信号情报、测量和特征情报、通信载荷。 从目前的情况分析，世界无人机将向着以下几个主要方面发展：如良好自钮隐 身性能、反雷达探测、反红外( 热) 探测、发射与回收灵活、机动性高、大高度 长航时无人机、空战型无人机、旋翼式无人机、无人驾驶研究机等多个方面。概 括地说包括以下5 个方面： ( 1 ) 无人机的作战任务将进一步扩展。 ( 2 ) 无人机向小型化、智能化、隐身方向发展。 ( 3 ) 无人机的任务设备向全天候、高分辨率、远距离、宽收容、实时化、 小型化方向发展。 ( 4 ) 无人机的测控、传输系统向远距离、安全保密、通用化、数字化、网 络化方向发展。 ( 5 ) 无人机向高生存率、低造价、低损耗方向发展。 二十一世纪的无人机将在未来的信息战、精确打击作战、无人化作战和陆海 空天电“五维”一体化战场中大显身手，成为航空航天作战力量的倍增器。无人 机的用途由执行侦察任务扩展到执行多种打击任务之后，必将演变成为一种高效 费比、攻防兼备的全新概念武器，并将引起军队作战思想、作战样式和组织编制 的系列变革。例如西方的一些军事专家近期推出的所谓“零伤亡”战争理论就 是以无人机为代表的无人作战武器平台为基本核心策划的。二十一世纪一旦高空 长航时无人侦察机、无人轰炸机、无人战斗机等高级无人杌投入战争，将会导致 西北工业大学硕士论文 第一章绪论 武器装备的第三次革命。 1 4 课题的任务要求和系统框架 1 4 1 课题来源 本课题来源于某型无人机自动驾驶仪研制项目。主要任务是设计专用的无人 机飞控、导航软硬件及相应的半物理仿真系统，使飞机实现遥控器控制、地面站 控制以及全自主控制三种方式飞行。 1 4 2 任务要求 任务书上对无人机自动驾驶仪有如下要求： ( 1 ) 完成对飞机状态量的检测，包括航向、高度、速度、姿态角、姿态角速 率、加速度； ( 2 ) 飞行控制信雩输出，包括副翼舵机控制信号、升降舵舵机控制信号、方 向舵舵机控制信号、油门舵机控制信号、风门舵机控制信号； ( 3 ) 能够实现手摇飞行控制、手控( 地面站) 飞行控制及全自主飞行控制； ( 4 能够维持飞机的定常飞行，完成定向、返航等功能，为无人机提供一定 的导航功能，并当无人机倾斜角、高度、速度等状态超出安全范围时，提供相应 的保护措施。 1 4 3 系统组成 无人机控制器系统框图如图卜1 所示，磁航向传感器采用了h o n e y w e l l 公司 的h m r 3 3 0 0 ，高度传感器采用了m o t o r o l a 公司制造的m p x 4 1 1 5 a 型的压力敏感元件， 空速传感器采用了m o t o r o l a 公司制造的m p x v 5 0 0 4 型的压力敏感元件，姿态传感 器采用v t i 公司制造的s c a l 0 0 t 高精度双轴倾角传感器，角速率传感器采用了a d 公司的a d x r s l 5 0 e b 单轴角速率陀螺，加速度传感器采用了a d 公司的a d x l 2 0 3 双 轴加速度计，霍尔元件用于测量发动机转速，飞控计算机采用t i 公司的 4 西北工业大学硕士论文第一章绪论 t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 d s p 处理器，舵机采用了p i j t a b a 公司的p l j t a b a 9 3 5 1 。 塾! 竺兰沙 亟蔓) 呻 + 亘吵 飞 控 亟豆) 一 计” ：墨垩竺兰兰 + 算 机 垂匾一 通讯接口卜 图1 - i 无人机控制器系统组成 软件系统不采用实时操作系统，而是按层阶体系结构组织子程序模块，采舟 汇编语言和c 语言混合编程方案，对于和硬件联系紧密的部分且实时性要求高的 模块采用汇编语言编写，其他部分采用c 语言编写。编程环境为c o d ec o m p o 浠 s t u d i o ( c c s ) 2 0 0 0 和b c 3 1 。 1 5 论文的主要研究工作 无人机飞行数据处理和半物理仿真系统是课题任务的两个重要方面，也是本 文的主要工作。本文结合项目的需要，在前一届师兄的研究基础上，优化了无人 机飞行控制软件，尤其是传感器数据处理算法，阐述了在现场调试过程中发现的 闯题及其解决方法，半物理仿真系统的建立。 1 5 1 研究工作的特色 在无人机飞行数据处理方面，开发了低成本倾角传感器在强振动环境下获取 稳定可靠姿态数据的新应用，克服了倾角传感器抗振性能差的缺点，扩展了倾角传 感器的应用领域，为实现稳定可靠廉价的飞行器姿态余度系统奠定了基础。 在半物理仿真系统的实现方面，尝试将半物理仿真系统从w i n d o w s9 8 系统平 西北工业大学硕士论文第一章绪论 台移植到w i n d o w s2 0 0 0 系统平台，通过编写驱动程序，实现了1 5 m s 的精确定时， 成功解决了移植后系统的实时性问题。 1 5 2 论文内容安排 本文的内容安排如下： 第一章为绪论部分，简要介绍无人机的发展概况、研究背景、论文的主要研 究工作以及研究工作的特色。 第二章介绍机载各传感器的标定过程，给出实验结果及拟和曲线。 第三章阐述无人机飞行数据处理问题，开发低成本倾角传感器在强振动环境 下获取稳定可靠姿态数据的新应用。研究的重点是卡尔曼滤波器的设计及其参数 的遗传算法寻优。 第四章介绍w i n d o w s 9 8 操作系统下无人机半物理仿真系统设计与实现，主要 阐述了无人机模型的建立及其在p c 机平台上的实现，并结合全数字仿真和半物理 实现结果评价半物理仿真系统。 第五章通过编写驱动程序，尝试将半物理仿真系统从w i n d o w s9 8 操作系统平 台移植到w i n d o w s2 0 0 0 x p 操作系统平台。 第六章为总结与展望，总结全文的工作和未来的工作方向。 6 西北工业大学硕士学位论文第二章机载传感器标定与曲线拟和 第二章机载传感器标定与曲线拟合 机载传感器的主要作用是为飞行控制律的实现提供适当量纲的反馈信息，以 参与飞行控制。如图2 - 1 所示，无人机系统的高度传感器采用了m o t o r o l a 公 司制造的m p x 4 1 1 5 a 型的压力敏感元件，空速传感器采用了m o t o r o l a 公司制 造的m p x v 5 0 0 4 型的压力敏感元件，姿态传感器采用v 1 1 公司制造的s c a l 0 0 t 高精度双轴倾角传感器，角速率传感器采用了a d 公司的a d x r s l 5 0 e b 单轴角 速率陀螺，加速度传感器采用了a d 公司的a d x l 2 0 3 双轴加速度计。飞控计算 机通过a d 采集模块采集直接得到各机载传感器的输出模拟电压值，还需要通过曲 线拟合将模拟电压值标定为适当量纲。 苎! 竺兰 h：壁苎! 竺兰量) 匦互) 斗 c o u n t = 1 ： i n i t i a l i s ef u l lr e s o u r c ed e s c r i p t o r p c mf u l lr e s o u r c ed e s c r i p t o rf u l l r d = r e s o u r c e l i s t 一 l i s t o f u l l r d 一 i n t e r f a c e t y p e = i s a ： f u l l r d 一 b u s n u m b e r = 0 ： f u l l r d 一 p a r t i a l r e s o u r c e l i s t c o u n t = p a r t i a l r e s o u r c e c o u n t ： i n i t i a l i s ep a r t i a lr e s o u r c ed e s c r i p t o rf o ri op o r t p ( mp a r t i a lr e s o u r c ed e s c r i p t o r r e s o u r c e = f u l l r d - p a r t i a l r e s o u r c e l i s t p a r t i a l d e s c r i p t o r s 0 ： r e s o u r c e 一 t y p e = c m r e s o u r c e t y p e p o r t ： r e s o u r c e - s h a r e d i s p o s i t i o n = c m r e s o u r c e s h a r e d r i v e r e x c l u s i v e ： r e s o u r c e 一 f l a g s = c mr e s o u r c ep o r ti o ： r e s o u r c e 一 u p o r t s t a r t = d x - p o r t s t a r t a d d r e s s ： r e s o u r c e 一 u p o r t l e n g t h = d x 一 p o r t l e n g t h ： i n i t i a l i s ep a r t i a lr e s o u r c ed e s c r i p t o rf o ri n t e r r u p t i f ( d x 一 g o t i n t e r r u p t ) r e s o u r c e + + ； r e s o u r c e 一 t y p e = c m r e s o u r c e t y p e i n t e r r u p t ： r e s o u r c e 一 s h a r e d i s p o s i t i o n = c m r e s o u r c e s h a r e d r i v e r e x c l u s i v e i f ( d x - m o d e = = l a t c h e d ) r e s o u r c e 一 f l a g s = c m _ r e s o u r c e i n t e r r u p tl a t c h e d ； e l s e r e s o u r c e 一 f 1 a g s = c m _ _ r e s o u r c e _ i n t e r r u p t _ l e v e l _ s e n s i t i v e ； r e s o u r c e 一 u i n t e r r u p t l e v e l = d x 一 i r q l ； r e s o u r c e 一 u i n t e r r u p t v e c t o r2d x 一 i r q l ： r e s o u r c e 一 u i n t e r r u p t a f f i n i t y = 1 ： 5 2 3 驱动程序与应用程序通讯问题 1 ) 基于i r p 的异步i o 通讯： w i n d o w s2 0 0 0 x p 允许应用程序和驱动程序在起动一个i o 操作后继续执 西北工业大学硕士学位论文 第五章半物理仿真系统在w i n 2 0 0 0 l a 3 。平台上的移植 行，而此时i o 操作仍在进行。所以，需要长时间运行的i o 操作应该以异步方 式执行。1 0 管理器接到用户应用程序的一个i o 请求，在它传递到合适的驱动程 序栈中的最上层驱动程序之前，分配并初始化