摘要：針對(duì)目前無(wú)人機(jī)編隊(duì)表演由成百上千架無(wú)人機(jī)搭載 LED 組成空間點(diǎn)陣的高成本現(xiàn)狀，提出了一種新型的無(wú)人機(jī)編隊(duì)表演方式。通過(guò)差分 GPS定位方法操控 4架無(wú)人機(jī)搭載 LED 燈帶組成空間點(diǎn)陣，將空間定位和燈帶控制結(jié)合，共同完成 LED 空間點(diǎn)陣。整個(gè)系統(tǒng)采用兩層架構(gòu)實(shí)現(xiàn)，第一層由地面主站到無(wú)人機(jī)，操控?zé)o人機(jī)的定位及其轉(zhuǎn)發(fā)對(duì)燈帶的控制指令;第二層由 FPGA 核心板到燈帶，接收地面發(fā)送的指令，對(duì)燈帶上 LED 燈的亮滅進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)編隊(duì)表演各種圖案。試驗(yàn)結(jié)果表明，新型無(wú)人機(jī)編隊(duì)表演控制系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，可降低無(wú)人機(jī)編隊(duì)表演成本。

　　關(guān)鍵詞：無(wú)人機(jī);編隊(duì)表演;控制系統(tǒng);LED 點(diǎn)陣

　　Abstract: Due to the high cost of the UAV formation performance is composed of hundreds of UAVcarrying LED to form a space lattice, a new-type control system of UAV fomation performance is proposed. The four UAV equipped with LED light belt are controlled by differential GPS positioning method. The space positioning and light belt control are integrated to complete the LED space lattice. Thewhole system adopts two-tier architecture. The first layer is from the ground master station to the UAV to control the positioning of UAV and to send instructions FPGA in order to control the light belt. In the second laver, from FPGA core board to light belt, it receives the instructions from the ground to control the LED light on and off., so as to realize UAV fommation performance of various patterns. The test results show that the new-type control system of UAV formation performance is stable and reliable and can reduce the cost of UAV formation performance.

　　Kevwords: UAV: formation perfomance; control system; LED dot matrix

　　隨著無(wú)人機(jī)編隊(duì)表演的興起，編隊(duì)飛行表演成為小型無(wú)人機(jī)發(fā)展的新方向[1-4]。目前，編隊(duì)表演是由成百上千架無(wú)人搭載 LED 燈光在空間組成點(diǎn)陣，通過(guò)燈光色彩編程控制每架無(wú)人機(jī)上 LED 光源的亮滅組成各種圖案[5-11]。但是，編隊(duì)表演形式存在一些不足，主要表現(xiàn)為需要無(wú)人機(jī)數(shù)量多、大批量摔機(jī)、單個(gè)掉落、單個(gè)飛走等，抗干擾能力有待加強(qiáng)，而且每一次表演的費(fèi)用昂貴[12-15]。文中設(shè)計(jì)了一種新型的無(wú)人機(jī)編隊(duì)表演控制系統(tǒng)，可降低無(wú)人機(jī)編隊(duì)表演成本。

　　1 無(wú)人機(jī)組成原理

　　無(wú)人機(jī)由飛控計(jì)算機(jī)、傳感器系統(tǒng)、GPS 模塊和動(dòng)力系統(tǒng)等組成[15-16]。飛行控制系統(tǒng)被視為無(wú)人機(jī)的大腦，其核心是飛控計(jì)算機(jī)，飛機(jī)是懸停還是飛行、向哪個(gè)方向飛都是由飛控下達(dá)指令;傳感器系統(tǒng)相當(dāng)于無(wú)人機(jī)的眼睛，用于實(shí)時(shí)測(cè)量和采集無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù);GPS 模塊用于對(duì)無(wú)人機(jī)進(jìn)行定位;通信模塊用于無(wú)人機(jī)和地面基站進(jìn)行通信;動(dòng)力系統(tǒng)由無(wú)人機(jī)的風(fēng)門、升降機(jī)、方向機(jī)、副翼和動(dòng)力電池組成，飛控計(jì)算機(jī)發(fā)出的指令給動(dòng)力系統(tǒng)，從而完成各種動(dòng)作。

　　1.1 飛控系統(tǒng)

　　無(wú)人機(jī)飛控系統(tǒng)如圖 1 所示，其主要由遙控板和飛控板組成。無(wú)人機(jī)飛行控制系統(tǒng)是指能夠穩(wěn)定無(wú)人機(jī)飛行姿態(tài)，并能控制無(wú)人機(jī)自主或半自主飛行的控制系統(tǒng)。飛控系統(tǒng)實(shí)時(shí)采集各傳感器測(cè)量的飛行狀態(tài)數(shù)據(jù)、接收無(wú)線電測(cè)控終端傳輸?shù)挠傻孛鏈y(cè)控站上行信道送來(lái)的控制命令及數(shù)據(jù)，經(jīng)計(jì)算處理，輸出控制指令給執(zhí)行機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)對(duì)無(wú)人機(jī)中各種飛行模態(tài)的控制和對(duì)任務(wù)設(shè)備的管理與控制。同 時(shí)，將無(wú)人機(jī)的狀態(tài)數(shù)據(jù)及發(fā)動(dòng)機(jī)、機(jī)載電源系統(tǒng)、任務(wù)設(shè)備的工作狀態(tài)參數(shù)實(shí)時(shí)傳送給機(jī)載無(wú)線電數(shù)據(jù)終端，經(jīng)無(wú)線電下行信道發(fā)送回地面測(cè)控站。

　　1.2 無(wú)人機(jī)定位

　　文中系統(tǒng)采取差分 GPS 定位方法，目的在于消除常規(guī) GPS 技術(shù)中人為加入的系統(tǒng)誤差。差分系統(tǒng)由坐標(biāo)已知、固定不動(dòng)的基準(zhǔn)站和移動(dòng)站組成，其工作原理如下

　　1.3 飛控系統(tǒng)硬件

　　飛控板由 STM32 主控制器和 MPU6000 陀螺儀組成，其原理如圖 2 所示。主控制器根據(jù)當(dāng)前的任務(wù)指示結(jié)合控制算法，輸出適當(dāng)占空比的 PWM 波信號(hào)，控制電源輸出的交變電流大小及尾部舵機(jī)轉(zhuǎn)向，由此完成四旋翼、固定翼、直升機(jī)的姿態(tài)控制飛行。飛控系統(tǒng)無(wú)需借助 GPS 融合或者磁場(chǎng)傳感器參與修正，就能保持長(zhǎng)時(shí)間的姿態(tài)控制。通過(guò) C 語(yǔ)言編譯便可設(shè)置或者更改飛機(jī)種類、飛行模式、支持云臺(tái)增穩(wěn)等功能。由于地面站軟件集成了完整的電子地圖，因此可以通過(guò)電臺(tái)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)飛機(jī)狀態(tài)。

　　1.4 LED點(diǎn)陣

　　如圖3所示，以8x8x8的點(diǎn)陣為例。4架無(wú)人機(jī)在同一平面上飛行，組成一個(gè)正方形，搭載LED點(diǎn)陣的一個(gè)端點(diǎn)。同一平面內(nèi)有64個(gè)LED點(diǎn)陣，立體空間LED組成了512個(gè)點(diǎn)陣。編寫(xiě)圖案程序，并將指令發(fā)送至FPGA，由FPGA控制LED的亮滅，形成所需圖案。

　　1.5 LED點(diǎn)陣驅(qū)動(dòng)

　　設(shè)計(jì)用FPGA芯片EPIC6QC240c8。系統(tǒng)根據(jù)LED點(diǎn)陣的要求，利用Avalon總線配置了32位CPU軟核以及ROM，RAM、SRAM，F(xiàn)IFO、SDRAM和DMA等片內(nèi)外資源。用C語(yǔ)言編寫(xiě)DMA控制程序，實(shí)現(xiàn)在FIFO與Avalon傳輸，同時(shí)還專門設(shè)計(jì)了LED控制器，以實(shí)現(xiàn)LED點(diǎn)陣顯示圖案的功能。使用FPGA的10口來(lái)驅(qū)動(dòng)LED點(diǎn)陣的行，但由于10口的輸出電流比較小，無(wú)法直接驅(qū)動(dòng)行方向的LED燈，所以要在10口輸出管腳與點(diǎn)陣的行之間安裝一個(gè)PNP型的三極管，起到放大電流的作用。當(dāng) IO 口給出低電平時(shí)，三極管導(dǎo)通，三極管的另一端輸出高電平，點(diǎn)亮行向 LED。行 LED 點(diǎn)陣行驅(qū)動(dòng)如圖 4 所示。以8×8×8 的點(diǎn)陣為例，在 8×8 的平面內(nèi)需要布置 64 個(gè)三極管放大器，用于驅(qū)動(dòng)同一平面內(nèi)的 LED 燈。列驅(qū)動(dòng)采用 FPGA，其本身就具有鎖存功能和移位輸出功能，且移位寄存器和輸出鎖存器的控制是相互獨(dú)立的，可實(shí)現(xiàn)在顯示一行的列數(shù)據(jù)同時(shí)傳送出下一行的列數(shù)據(jù)。LED 點(diǎn)陣的列線接到 FPGA 的 IO 口 上。主機(jī)給出指令顯示數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對(duì) LED 點(diǎn)的控制。列 LED 點(diǎn)陣列驅(qū)動(dòng)如圖 5所示。

　　2軟件設(shè)計(jì)

　　2.1 飛行模塊主程序設(shè)計(jì)圖6所示為飛行模塊主程序圖，電路通電后，各芯片進(jìn)行初始化，進(jìn)入按鍵掃描階段，此時(shí)系統(tǒng)處于待機(jī)狀態(tài)。

　　2.2 中斷控制流程圖程序設(shè)計(jì)圖7所示為中斷控制流程圖程序，中斷源向MPU提出處理要求，MPU先暫時(shí)停止當(dāng)前的工作，而轉(zhuǎn)去處理另一件工作。具體步驟是首先要把中斷打開(kāi)，當(dāng)有中斷時(shí)，保護(hù)被中斷進(jìn)程現(xiàn)場(chǎng)，將當(dāng)前PSW和PC等的值保存;接著，若有多個(gè)中斷同時(shí)發(fā)出請(qǐng)求，則進(jìn)入優(yōu)先級(jí)最高的中斷，處理數(shù)據(jù);之后恢復(fù)被中斷進(jìn)程現(xiàn)場(chǎng)，返回主程序。

　　2.3 LED點(diǎn)陣程序設(shè)計(jì)

　　圖8所示為L(zhǎng)ED點(diǎn)陣顯示主程序，系統(tǒng)采用c語(yǔ)言編寫(xiě)LED點(diǎn)陣圖案程序，通過(guò)編譯器將源程序編譯成可執(zhí)行文件并下載，對(duì)可執(zhí)行程序進(jìn)行調(diào)試和運(yùn)行。主程序主要完成系統(tǒng)的初始化，其主要功能是：對(duì)于系統(tǒng)中的每一個(gè)微處理器，從設(shè)備都生成一個(gè)定義該設(shè)備地址的頭文件，為軟件開(kāi)發(fā)創(chuàng)建存儲(chǔ)器映射文件。DMA的操作通過(guò)中斷服務(wù)程序執(zhí)行，把需要送出的像素信息排成一行，順序送出形成數(shù)據(jù)流，借助于Avalon流模式外設(shè)的設(shè)計(jì)方法，實(shí)現(xiàn)一個(gè)Avalon流模式的LED控制器。利用DMA控制器在流模式控制器和SRAM之間建立一條DMA傳送通道，通過(guò)硬件來(lái)完成像素信息的自動(dòng)讀取。

　　3結(jié)束語(yǔ)

　　文中提出一種新型無(wú)人機(jī)編隊(duì)表演方法，由4架無(wú)人機(jī)搭載LED燈帶組成點(diǎn)陣，控制點(diǎn)陣中LED的亮滅，實(shí)現(xiàn)各種所需圖案;該系統(tǒng)LED燈點(diǎn)陣可以擴(kuò)展，可由多架無(wú)人機(jī)LED平面燈組成空間立體，實(shí)現(xiàn)立體圖案。該系統(tǒng)用LED燈帶組成點(diǎn)陣，可以減小無(wú)人機(jī)數(shù)量，降低表演成本，具有一定使用推廣價(jià)值。

　　參考文獻(xiàn)：

　　[1]董艷，基于觀測(cè)器的無(wú)人機(jī)編隊(duì)系統(tǒng)的故障診斷技術(shù)研究[D南京：南京航空航天大學(xué)，2018.

　　[2]Paul G F，ThomasJG.無(wú)人機(jī)系統(tǒng)導(dǎo)論[M].吳漢平，譯.北京：國(guó)防工業(yè)出版社出版社，2015.

　　[3]王品，姚佩陽(yáng)，多無(wú)人機(jī)系統(tǒng)分布式編隊(duì)控制[J].計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用，2016，52(16)：1-6.

　　[4]方佳敏無(wú)人機(jī)系統(tǒng)自主控制技術(shù)研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)J.絲路視野，2018(2)：183.

　　[5]李相民，薄寧，代進(jìn)進(jìn)，等，有無(wú)人機(jī)編隊(duì)協(xié)同作戰(zhàn)指揮控制關(guān)鍵技術(shù)綜述J]飛航導(dǎo)彈，2017(9)：29-35.

　　16]邵義龍，段欣好.多無(wú)人飛行器協(xié)同編隊(duì)控制[J].科技信息，2013(20)：111-112

　　[7]潘華，毛海濤無(wú)人機(jī)編隊(duì)飛行面臨問(wèn)題及關(guān)鍵技術(shù)研究[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，201416：85-87.

　　[8]雷金奎，原丹丹，李海生.基于ARM的雙冗余微小型無(wú)人機(jī)飛行控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)J電子設(shè)計(jì)工程，2016，241)：162-164.

　　[9]施書(shū)成，無(wú)人機(jī)多機(jī)編隊(duì)飛行控制技術(shù)研究[D.南京：南京航空工業(yè)大學(xué)，2019.

　　[10]張晉武.無(wú)人機(jī)編隊(duì)飛行技術(shù)研究[].艦船電子工程，2015(8)：15-18.

　　[11]楊才廣，姚志興，譚永鎮(zhèn)，等.基于STM32的無(wú)人機(jī)飛行控制系統(tǒng)[].電子世界，2019(1)：130-131.

　　[12]李倩，雷仲魁無(wú)人機(jī)飛行控制器及模糊編隊(duì)控制器的設(shè)計(jì)小電子設(shè)計(jì)工程，2016，24(16)：86-88.

　　[13]常凱，黃考利，馬代亮，無(wú)人機(jī)編隊(duì)對(duì)地面目標(biāo)追蹤問(wèn)題研究J].電光與控制，2016(23)：15.

　　[14]王鵬，張振峰，曹明川，等，基于一致性多無(wú)人機(jī)編隊(duì)的研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)[J].艦船電子工程,2017(9):1-9.

　　[15]郭佳暉,任夢(mèng)潔.基于串級(jí)模糊PID的四旋翼姿態(tài)控制研究[J].電子設(shè)計(jì)工程,2018(17):145-149.

　　[16]孔德勝.某型固定翼無(wú)人機(jī)飛控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與仿真[D].北京:北京理工大學(xué),2015.

期刊VIP網(wǎng)，您身邊的高端學(xué)術(shù)顧問(wèn)

文章名稱： 無(wú)人機(jī)編隊(duì)表演控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

文章地址： http://www.xhiasr.cn/mianfeiwx/59796.html