小型無人靶機(jī)掠海定高飛行控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

0 引 言
靶機(jī)是無人機(jī)家族中的一個(gè)重要分支，主要用于模擬作戰(zhàn)飛機(jī)、導(dǎo)彈等威脅目標(biāo)，為防空武器系統(tǒng)試驗(yàn)和訓(xùn)練提供逼真的空中靶標(biāo)。隨著技術(shù)的進(jìn)步，現(xiàn)代反艦導(dǎo)彈多采取“超低空掠海”飛行的突防方式，與之相應(yīng)的用于模擬反艦導(dǎo)彈類目標(biāo)的無人靶機(jī)也需要具有超低空掠海飛行能力。20世紀(jì)60年代，以美國(guó)為代表的西方發(fā)達(dá)國(guó)家推出了第一代具有超低空掠海定高飛行能力的靶機(jī)，之后迅速形成了系列化，并隨著新技術(shù)的應(yīng)用不斷升級(jí)換代，某些經(jīng)典型號(hào)至今仍在廣泛使用，如石雞、火蜂、米拉奇等系列靶機(jī)，其掠海飛行的相對(duì)高度均達(dá)到了5 m以下。國(guó)內(nèi)在這一領(lǐng)域則起步較晚。飛行控制系統(tǒng)是無人機(jī)的“大腦”，無人機(jī)的超低空掠海飛行主要是在飛控系統(tǒng)高度控制器的控制下實(shí)現(xiàn)的。因此，本文針對(duì)小型靶機(jī)飛控系統(tǒng)的研制，基于無線電高度表／加速度計(jì)組合控制的基本原理，采用Kalman濾波信號(hào)處理方法和基于ARM7微處理器的嵌入式系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了一種簡(jiǎn)單實(shí)用的高度控制器，能夠?qū)Π袡C(jī)飛行高度進(jìn)行精確控制，從而實(shí)現(xiàn)超低空掠海定高飛行的目的。

1 飛控系統(tǒng)配置與高度控制原理
靶機(jī)飛控系統(tǒng)由傳感器、飛控計(jì)算機(jī)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)3個(gè)部分組成。傳感器主要包括垂直陀螺、兩軸角速率陀螺、三軸捷聯(lián)式磁航向傳感器、無線電高度表、垂向加速度計(jì)、空速管、GPS接收機(jī)、發(fā)動(dòng)機(jī)溫度和轉(zhuǎn)速傳感器等；飛控計(jì)算機(jī)是飛控系統(tǒng)的核心部件，是一臺(tái)基于ARM7的嵌入式計(jì)算機(jī)，接收來自各傳感器的測(cè)量信息，并根據(jù)控制律進(jìn)行解算，給出控制信號(hào)驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作；執(zhí)行機(jī)構(gòu)主要包括升降舵機(jī)、副翼舵機(jī)、舵回路控制器、發(fā)動(dòng)機(jī)油門電機(jī)和ECU控制器。飛控系統(tǒng)組成如圖1所示。

高度控制器主要由內(nèi)、外兩個(gè)反饋控制回路構(gòu)成。首先是以垂直陀螺和角速率陀螺測(cè)量信號(hào)作為反饋控制信號(hào)構(gòu)成靶機(jī)姿態(tài)控制內(nèi)回路(角運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng))，包括橫向、縱向兩個(gè)控制通道，是系統(tǒng)的核心控制回路。由于姿態(tài)控制系統(tǒng)在常值干擾力矩(如垂風(fēng))的干擾下存在姿態(tài)角靜差，會(huì)導(dǎo)致高度漂移，不能直接應(yīng)用于高度軌跡的穩(wěn)定與控制，因此在高度控制系統(tǒng)中需要直接測(cè)量飛機(jī)高度和垂向運(yùn)動(dòng)速度等線運(yùn)動(dòng)信息，使用高度表和線加速度計(jì)等傳感器，在姿態(tài)控制系統(tǒng)基礎(chǔ)上建立高度控制外回路，兩者共同構(gòu)成完整的高度控制系統(tǒng)(圖1中陰影部分)。在超低空飛行時(shí)要使用高精度的高度傳感器，通常采用無線電高度表。在該系統(tǒng)的實(shí)際設(shè)計(jì)中，采取了無線電高度表和線加速度計(jì)組合控制，即對(duì)無線電高度表和垂向線加速度計(jì)測(cè)量信息進(jìn)行特定算法綜合處理后，得到靶機(jī)高度和垂向速度的兩路反饋控制信號(hào)，送到縱向姿態(tài)控制通道，形成高度控制外回路，與姿態(tài)控制內(nèi)回路共同完成高度控制功能。