CN107861522A - 无人靶机控制*** - Google Patents
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Abstract
本发明公开了无人靶机控制***,主要包括:飞机平台***、机载设备***、数据链路、地面站、发射***、回收***和保障设备。本发明的无人靶机控制***,可以实现成本低、传输数据精确以及可靠性高的优点。
Description
技术领域
本发明涉及无人机技术领域,具体地,涉及无人靶机控制***。
背景技术
如今国际军事航空工业已进入由第三代战斗机向***战斗机过渡的阶段,中国也已进入了四代战机的部署与列装阶段,为检验***战斗机的作战性能,为***战斗机对空武器***的试验鉴定和装备部队后的军事训练提供保障,为地面防空部队防御***战斗机的导弹提供目标,开展研制模拟***战斗机的高速、大机动性和高隐身性的靶机显得非常重要。相对于四代战机配套武器的先进靶机研制已成为无人机领域中迫切需要发展的目标。
靶机有两大作用,一是新型对空武器的检验标准,二是战训的假想目标,相比与战训靶机而言,用于对空武器检验和评估的靶机具有更高性能要求,即必须能够模拟四代战机的基本飞行特征。四代战机的基本特征是:高隐身目标(雷达散射截面积Radar CrossSection,RCS<0.02m2)、大机动过载(横向过载8g并持续30s)、超音速飞行(M1.2~M1.7)。为了体现现代战斗机的空中防御能力,靶机还需携带相应的任务装置,使之具有红外和雷达的对抗能力,用于模拟战机在受导弹攻击时能够采用对抗行动。
体现四代战机基本性能和抗干扰能力的靶机主要性能和特征如下。
1)小RCS目标特性,前向±30°雷达反射面小于0.01m2。
2)大机动飞行特征,要求水平过载8g持续40s,或10g过载持续10s。
3)高空高速飞行,要求飞行高度大于18000m,速度M1.2~M2。
4)目标增强器和抗干扰设备携带能力,25~50kg任务设备。
5)低研制和产生成本。
对空武器***性能包络面很宽,不是采用一个弹道就可以全面考核性能,通常需要设置10条以上的典型弹道来检验导弹性能,因此以四代战机的模拟目标特性为牵引,按不同的导弹攻击弹道和靶试科目针对性来设计和研制先进靶机。
目前,无人靶机控制***还存在可靠性低、成本高和传输数据不准确的现象。
发明内容
本发明的目的在于,针对上述问题,提出无人靶机控制***,以实现成本低、传输数据精确以及可靠性高的优点。
为实现上述目的,本发明采用的技术方案是:无人靶机控制***,主要包括:飞机平台***、机载设备***、数据链路、地面站、发射***、回收***和保障设备;
所述飞机平台***,通过机载设备***控制与地面站的通讯,实现无人靶机的飞行计划;
所述机载设备***,通过数据链路***与地面站进行通讯,能够完成对无人靶机的控制并按照地面规划航路飞行,同时将姿态、航迹信息传递给地面站;
所述数据链路,提供一个地面与空中的遥控遥测通道,通过该通道建立飞控计算机与地面站操作、控制和显示的联系,从而保障无人目标机(靶机)能够正常、稳定的执行飞行任务;
所述地面站,地面人员通过地面站与机载设备通讯,对无人靶机进行实时监控与控制,将飞行航路任务信息、控制指令和设定的飞行程序发送到机载设备***,实现对无人靶机的控制;
所述发射***,为无人靶机的飞行提供助力;
所述回收***,通过机载设备***对回收设备进行指令控制,实现无人靶机开伞、抛伞;
所述保障设备,对无人靶机飞行控制***的各个机载设备单元进行故障检测、故障诊断、定位故障,并根据故障诊断结果生成诊断结果报告,为无人机飞控***的维护人员对飞控***的维护提供依据。
进一步地,所述机载设备***包括机载飞控计算机和伺服***;
所述飞控计算机通过采集飞机状态参数和控制指令,进行控制律计算,输出控制信号,控制飞机舵面使飞机按照预定状态飞行;
所述伺服***采用PWM舵机,舵机与舵面机械连接,舵机接收飞控计算机的控制信号,驱动控制舵面。
进一步地,所述飞控计算机包括GPS接收机、IMU惯性测量单元、磁罗盘、气压高度计、空速计和计算机处理单元。
进一步地,所述计算机处理单元包括底层驱动模块、导航解算模块、制导控制模块和飞行管理模块。
进一步地,所述制导控制模块为控制解算部分,采用三级控制,即第一级是导航级,第二级是制导级,第三级是控制级。
进一步地,所述IMU惯性测量单元输出3个自由度角度、角速率和线加速度。
进一步地,所述数据链路***包括数传收发机(地/空)、天线和数据通信接口。
本发明的无人靶机控制***,主要包括:飞机平台***、机载设备***、数据链路、地面站、发射***、回收***和保障设备;可以实现成本低、传输数据精确以及可靠性高的优点。
本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述,并且,部分地从说明书中变得显而易见,或者通过实施本发明而了解。
下面通过附图和实施例,对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解,并且构成说明书的一部分,与本发明的实施例一起用于解释本发明,并不构成对本发明的限制。在附图中:
图1为本发明所述无人靶机控制***的结构示意图;
图2为本发明所述无人靶机控制***的机载设备***结构示意图;
图3为本发明所述无人靶机控制***的飞控计算机控制结构示意图;
图4为本发明所述无人靶机控制***的数据链分***结构示意图;
图5为本发明所述无人靶机控制***的电源***结构示意图;
图6为本发明所述无人靶机控制***的电源电路结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明,应当理解,此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明,并不用于限定本发明。
如图1所示,无人靶机控制***,主要包括:飞机平台***、机载设备***、数据链路、地面站、发射***、回收***和保障设备;
所述飞机平台***,通过机载设备***控制与地面站的通讯,实现无人靶机的飞行计划;
所述机载设备***,通过数据链路***与地面站进行通讯,能够完成对无人靶机的控制并按照地面规划航路飞行,同时将姿态、航迹信息传递给地面站;
所述数据链路,提供一个地面与空中的遥控遥测通道,通过该通道建立飞控计算机与地面站操作、控制和显示的联系,从而保障无人目标机(靶机)能够正常、稳定的执行飞行任务;
所述地面站,地面人员通过地面站与机载设备通讯,对无人靶机进行实时监控与控制,将飞行航路任务信息、控制指令和设定的飞行程序发送到机载设备***,实现对无人靶机的控制;
所述发射***,为无人靶机的飞行提供助力;
所述回收***,通过机载设备***对回收设备进行指令控制,实现无人靶机开伞、抛伞;
所述保障设备,对无人靶机飞行控制***的各个机载设备单元进行故障检测、故障诊断、定位故障,并根据故障诊断结果生成诊断结果报告,为无人机飞控***的维护人员对飞控***的维护提供依据。
如图2所示,所述机载设备***包括机载飞控计算机和伺服***;
所述飞控计算机通过采集飞机状态参数和控制指令,进行控制律计算,输出控制信号,控制飞机舵面使飞机按照预定状态飞行;
所述伺服***采用PWM舵机,舵机与舵面机械连接,舵机接收飞控计算机的控制信号,驱动控制舵面。
所述飞控计算机包括GPS接收机、IMU惯性测量单元、磁罗盘、气压高度计、空速计和计算机处理单元。其中GPS接收机输出实时GPS位置、GPS速度信息;磁罗盘用于提供导航计算开始解算时的初始航向角;气压高度计输出实对气压高度信息:空速计用于测量机头正前方向的空速;对各种传感器信息进行采集和预处理,并进一步将处理过的信息传送至导航计算单元进行融合、并进行适当的滤波以及导航解算得到精确的导航信息(包括位置信息、速度信息和姿态信息),导航信息作为姿态控制的指令,姿态控制律完成对飞机姿态的控制解算,再把控制信号输送给执行机构最终实现对小型飞机自主飞行的控制,完成预定的飞行任务。
飞控计算机处理器能够满足400Hz姿态更新频率数据解算,飞控自带存储卡,有足够空间储存飞行数据和地面站上传数据,能输出驱动硬件的脉宽信号,同时具备数据通讯能力。
飞控计算机基于MEMS传感器,通过先进的数据融合控制与导航算法,配合设备在回路的***仿真,对常规布局无人飞行器可以实现即装即飞。
1)集成了高精度IMU组成模块、高精度动静压传感器、高精度磁传感器、以及高精度GPS模块,水平姿态误差小于0.3度,航向姿态误差小于0.5度;
2)采用高性能GPS/SINS/AHRS算法,具有400Hz更新频率,无GPS信号时自动平滑切换为AHRS模式;
3)内置32G数据存褚器,可以完整记录1500小时的飞行数据。
表1飞控***组件选型
表2飞控供电及外形参数
电源 | 5.5-36V DC |
功耗 | 6W |
外形尺寸 | 46*79*109mm |
重量 | 900g |
飞控计算机***连接器采用符合国军标GJB2446的51芯微距形航空标准连接器,具有插接紧密,接触牢靠,抗振动性高等特点。
飞控计算机***能够满足靶机远程控制和自主飞行等功能。姿态信息航向偏离值不大于0.2,俯仰和倾侧角控制精度均不小于0.6,高度保持精度0.1m,符合技术指标要求能够满足任务需要。
如图3所示,所述计算机处理单元包括底层驱动模块、导航解算模块、制导控制模块和飞行管理模块。导航解算、制导控制模块是整个飞控软件的核心设计。
在无人目标机(靶机)飞控***中,控制解算部分采用三级控制,第一级是导航级,第二级是制导级,第三级是控制级。导航级的控制解决飞机获取位置、速度和姿态状态的问题,制导级解决如何以预定空速飞行在预定高度的问题,以及如何转弯飞往目标问题,通过算法给出飞机需要的俯仰角、油门和横滚角,然后交给控制级进行控制解算。控制级的任务就是依据需要的俯仰角、油门、横滚角,结合飞机当前的姿态解算出合适的舵机控制量,使飞机保持预定的俯仰角,横滚角和方向角。最后通过数据转换把控制量转换成具体的pwm信号量输出给舵机。
制导级解决无人目标机(靶机)飞往目标,GPS/捷联惯性组合导航***提供飞机当前经纬度信息、地速信息、当前位置信息等,通过程序解算飞机当前位置和目标位置的关系,求出目标航向角。目标航向角进行导航,不能压航线飞行,同时计算出需要的偏航修正量使飞机能尽快飞到航线上。最后把目标航向角和偏航修正量组成导航航向角,提供给控制级。
控制级解决飞机飞行姿态及轨迹控制,飞机在保持预定高度和空速飞行时,必须控制好飞机的升降舵和油门。为保证无人目标机(靶机)起飞阶段安全性,起飞模式采用空速优先控制(髙度控制油门,空速控制升降舵);在任务巡航段采用高度优先控制(高度控制升降舵,空速控制油门)。油门的控制量是在制导级确定的,方向舵控制量在控制级解算。
所述IMU惯性测量单元输出3个自由度角度、角速率和线加速度。
数传链路是整个无人目标机(靶机)***重要的组成模块,是整个型无人目标机(靶机)***的通讯单元。数传链路提供一个地面与空中的遥控遥测通道,通过该通道建立飞控计算机与地面站操作、控制和显示的联系,从而保障无人目标机(靶机)能够正常、稳定的执行飞行任务。该型机数据链分***包括机载设备和地面设备。数传电台选用数字调频电台。该电台的主要性能如下表所示:
表3数传机主要性能表
如图4所示,研制机的数据链分***包括数传收发机(地/空)、天线和数据通信接口。
1)下行数据链
下行数据链把飞控计算机送来的飞机的各种飞行数据和发动机的工作数据传给地面站来显示和记录,主要传输显示参数有:飞行高度、飞行速度、航迹点坐标、伞降点坐标、飞行姿态、平尾舵机操控量、发动机油门位置、发动机泵电压、发动机温度、发动机油耗、飞行时间、飞行距离等。
2)上行数据链
上行数据链把地面站各种控制指令或设定的飞行程序送飞控计算机完成飞行控制。主要传输控制参数有:伞仓(开/关)控制、发动机(启动/停车)控制、发动机油门控制、飞机(起飞/爬升)控制、飞行参数(高度/速度/航路点等)控制或设置命令。
如图5和6所示为电源***设计:
无人目标机(靶机)的电源***向飞控***、执行机构、数据链路、动力***和回收***等供电。
1)主电池设计
为了满足无人目标机(靴机)正常飞行时间>30min的要求,采用3组LiPo锂聚合物电池和1组LiFePO4磷酸铁锂作为机载电池,如下表所示:
表4机载电池列表
2)配电器设计
飞机配电器的功能是完成电能分配、输送和控制。根据中小型无人机的特点,开展多余度配电控制器设计,通过电路设计实现关键用电设备的供电冗余,简化了机载配电网络,提高供电可靠性。同时,根据用电设备的使用状态,采用固态继电器和电磁继电器混合配电方式,实现了状态信息实时回报,解决了火工品线路烧蚀粘接问题,保障了无人机回收安全。各设备均采用继电器的常闭触点进行配电,保证即使在继电器线圈失效的时候也可继续完成配电。
回收设备(开伞、抛伞)通过飞控***指令进行控制。开伞、抛伞的执行器件是火工品。以往火工品点火电路多采用电磁继电器实现,但电磁继电器多次点火后,触点烧蚀易粘接,可靠性降低,影响无人机回收安全。***的火工品点火电路采用固态继电器实现。固态继电器是配套研制的智能化功率控制器件,是集断路器的保护功能和电磁继电器的通断功能于一体的智能开关设备,如图2所示。它具有无触点、无电弧、无噪声、响应快、电磁干扰小、寿命长、可靠性高以及便于计算机远程控制等优点。
3)综合布线设计
整机线束可分为两部分:主电池至配电器、配电器至负载的线束。综合布线设计的原则为:
分配合理的接插界面,使整机线束能够独立于机载设备;
保证可靠性的前提下,选择微小型连接器;
线束在机体内的安装、固定位置应合理可靠。
4)接地设计
整机电源共分为两种:9.9V和7.2V。飞控***、数据链、ECU之间存在信号交联,为保证各通信设备之间的信号稳定性,在开关盒内部将电源的负极连接在一起。发动机电源由ECU控制盒直接供电。发动机固定支架采取绝缘措施。
至少可以达到以下有益效果:
本发明的无人靶机控制***,主要包括:飞机平台***、机载设备***、数据链路、地面站、发射***、回收***和保障设备;可以实现成本低、传输数据精确以及可靠性高的优点。
最后应说明的是:以上所述仅为本发明的优选实施例而已,并不用于限制本发明,尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明,对于本领域的技术人员来说,其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改,或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内,所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.无人靶机控制***,其特征在于,主要包括:飞机平台***、机载设备***、数据链路、地面站、发射***、回收***和保障设备;
所述飞机平台***,通过机载设备***控制与地面站的通讯,实现无人靶机的飞行计划;
所述机载设备***,通过数据链路***与地面站进行通讯,能够完成对无人靶机的控制并按照地面规划航路飞行,同时将姿态、航迹信息传递给地面站;
所述数据链路,提供一个地面与空中的遥控遥测通道,通过该通道建立飞控计算机与地面站操作、控制和显示的联系,从而保障无人目标机(靶机)能够正常、稳定的执行飞行任务;
所述地面站,地面人员通过地面站与机载设备通讯,对无人靶机进行实时监控与控制,将飞行航路任务信息、控制指令和设定的飞行程序发送到机载设备***,实现对无人靶机的控制;
所述发射***,为无人靶机的飞行提供助力;
所述回收***,通过机载设备***对回收设备进行指令控制,实现无人靶机开伞、抛伞;
所述保障设备,对无人靶机飞行控制***的各个机载设备单元进行故障检测、故障诊断、定位故障,并根据故障诊断结果生成诊断结果报告,为无人机飞控***的维护人员对飞控***的维护提供依据。
2.根据权利要求1所述的无人靶机控制***,其特征在于,所述机载设备***包括机载飞控计算机和伺服***;
所述飞控计算机通过采集飞机状态参数和控制指令,进行控制律计算,输出控制信号,控制飞机舵面使飞机按照预定状态飞行;
所述伺服***采用PWM舵机,舵机与舵面机械连接,舵机接收飞控计算机的控制信号,驱动控制舵面。
3.根据权利要求2所述的无人靶机控制***,其特征在于,所述飞控计算机包括GPS接收机、IMU惯性测量单元、磁罗盘、气压高度计、空速计和计算机处理单元。
4.根据权利要求3所述的无人靶机控制***,其特征在于,所述计算机处理单元包括底层驱动模块、导航解算模块、制导控制模块和飞行管理模块。
5.根据权利要求4所述的无人靶机控制***,其特征在于,所述制导控制模块为控制解算部分,采用三级控制,即第一级是导航级,第二级是制导级,第三级是控制级。
6.根据权利要求3所述的无人靶机控制***,其特征在于,所述IMU惯性测量单元输出3个自由度角度、角速率和线加速度。
7.根据权利要求1所述的无人靶机控制***,其特征在于,所述数据链路***包括数传收发机(地/空)、天线和数据通信接口。
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