无人机飞控计算机自动测试软件设计与实现
2019年第16期
信息与电脑
China Computer & Communication
软件开发与应用
无人机飞控计算机自动测试软件设计与实现
王泓淼
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（天津航天中为数据系统科技有限公司，天津 300301）
摘 要：无人机就是无人自动驾驶的飞行器，不仅轻便灵活，而且重量轻、机动性强，在军事、民用、科技等领域应用广泛。飞行器经历了从最开始的导航与控制系统分离到电动陀螺仪、自动驾驶仪的发展历程，逐渐形成当前的飞控系统。无人机飞控计算机自动测试软件包括无人机远场源系统构成、飞行测试方法、系统人机界面、多层次安全架构和系统性云计算结构等。基于此，浅谈了无人机飞控计算机自动测试软件设计与实现。
关键词：无人机飞控；飞行路线；原位测试
中图分类号：V279  文献标识码：A  文章编号：1003-9767（2019）16-124-03
Design and Implementation of Automatic Test Software for UAV Flight
望岳原文Control Computer
Wang Hongmiao
(Tianjin Aerospace Science and Technology Co., Ltd., Tianjin 300301, China)
Abstract: Unmanned aerial vehicles (uavs) are unmanned and automatic flying vehicles. They are not only light and flexible,
but also light in weight and strong in maneuvers. They are widely used in military, civil, scientific and technological fields. The aircraft has experienced the development process from the initial separation of navigation and control system to electric gyroscope and autopilot, and gradually formed the current flight control system. Uav flight control computer automatic test software includes uav far-field source system composition, flight test method, system human-machine interface, multi-level security architecture and systematic
cloud computing structure. Based on this, the design and implementation of automatic test software for uav flight control computer is
discussed.
Key words: UAV flight control; flight route; in-situ test
0 引言
无人机简称UAV ，本质是利用电子设备和通信技术代替飞行员进行飞行工作，在天线方向图测量中占据非常重要的地位，解决了天线原位测试中遇到的各种难题。无人机具有众多优点，不仅成本低廉，而且可以重复使用，对环境的适应性非常强。在民用领域，无人机可以进行检测、拍照、勘查等工作；在军事领域，无人机能够进行军事侦察、战略干扰、信息监控等多种军事活动[1]，在现代化的信息战争中发挥着重要的作用。无人机的核心是飞控系统，要想提升无人机的性能，就要不断使用新技术改造飞控系统。因此，无人机飞控计算机自动测试软件设计与实现具有一定的研究价值。
1 无人机飞控系统的发展现状
事实上，飞行器系统拥有很强的技术性和强耦合性，不
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管是设计还是控制都有难度。从某些方面来说，飞行器能够代表一个国家的技术水平。飞行器发展前期，为了降低设计难度和控制难度，一般将飞行器的控制系统分为内外两部分，分别是导航和控制[2]。两个系统中，控制系统比较难，因为控制系统主要控制飞行器的姿态，所以需要面对姿态计算难题。飞行器姿态计算涉及计算机技术和通信技术，而飞行器发展前期，这两项技术不先进，需要简化姿态计算，将飞行器运动数据解耦，从而达到简化控制设计的目的。此发展历程一直到20世纪初期，飞行器控制装置发生了很大变化，从原有的电动陀螺仪升级改造成自动驾驶仪。自动驾驶仪是为了减少飞行员的驾驶时间，缓解飞行员的疲劳状态，一般只能保证飞行器平直飞行。这种情况下，研究人员为了提高飞机的稳定性，采取了飞行器系统增稳措施。随着飞行器系统的日益完善，功能越来越多，飞行器自动驾驶仪逐渐向飞
作者简介：王泓淼(1986—)，女，河北承德人，硕士研究生，中级工程师。研究方向：计算机应用软件。
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控系统发展，使飞行器处于飞行状态时修改飞行参数，能达到自动驾驶的目的。
从数字式自动驾驶仪在飞船应用开始，数字式自动驾驶仪得到了广泛运用，性能逐渐完善，质量和寿命上都得到了很大提高[3]。截至目前，自动驾驶仪已相当完善，主体由敏感元件器、伺服机构、控制器组成，有效提升了自动驾驶仪的综合性能。美国公司Geneva Aerospace研制了FlightTEK自动驾驶仪，主要特点是拥有突出的任务管理系统，使用Variable Autonomy Control System结构体系提高系统性能。美国公司AthenaTechnologies研制了GS511高端自动驾驶仪，具有高精度IMU，航向和姿态的漂移精度为1°/h，平均故障时间大于20 000 h，性能非常稳定。加拿大Micro Pilot公司研制了MP2028自动驾驶仪，具有体积、质量微型化的特点，重量为28 g，体积为100 mm×40 mm×15 mm。
虽然我国在无人机领域发展较晚，但也取得了很多成果。无人机在军事方面的应用主要体现在北京航空航天大学、西北工业大学、航天九院和航天三院。尤其是北京航空航天大学，已研制出IFLY40等几款比较有代表性的自动驾驶仪，具有很高的科技性。我国研制的自动驾驶仪性能不断提升，得益于传感器精度和控制算法不断进步[4]。PID控制算法不仅技术成熟，而且性能稳定，在飞控系统中得到了广泛应用。
2 无人机PID算法的优点
PID调节是现阶段工业生产在线性控制系统中普遍使用的一种方式，核心是比例控制，利用积分和微积分计算输出控制量。一般来说，PID控制器的积分控制主要用来消除稳态误差，但消除误差的同时会增加超调。微积分控制可减弱超调，但会加大惯性。相比较PI和PD控制器，PID能够达到非常高的调节质量，能够根据需求执行不同的调节指令，不会给线路和电源增加额外压力。PID不需建立相应的数学模型，就能获得优良的调节效果。
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3 无人机远场源系统构成
无人机主要由飞控系统、动力系统、数据链系统和传感器系统组成的能够远程遥控飞行的航空器。其类型大致可以分为两种，一种是固定翼，另一种是旋翼。无人机的飞行荷载主要搭载了射频信号发生系统，可以进行天线原位测量工作。事实上，与固定翼无人机相比，旋翼类无人机不管是操作还是飞行，更加灵活多变。无人机飞控自动测试元件应用方面，一般采取旋翼类无人机作为测试平台，以六旋翼无人机作为测试平台，其搭载的是以GPS为核心的导航系统。六旋翼无人机在平台测试中能够实时反馈飞行器的姿态角、滚转角、俯视角以及方位角的飞行状态，在监测飞行器飞行状态的同时，能保证稳定飞行的姿态。一般情况下，无人机的供电方式是锂电池，综合性续航时间可以持续15 min。
对于射频信号发射系统，由于六旋翼无人机有着限重和稳定的情况，所以要求这种无人机的荷载在重量上保持轻盈，尺寸上保持匀称。六旋翼无人机的信号发射器以及电池装置一般处于无人机的底部，
所以采取的是轻薄金属进行包裹，一方面能够成为天线的另一种意义的地平面，另一方面也可以通过信号进行连接，还能利用平衡转换器抑制同轴线外皮的高频电流。输出信号通过同轴电缆连接偶极子天线。被试天线（阵）尺寸较大，易受到周围环境影响，宜采用原位测量方式。根据天线互易性定理，利用被试天线接收无人机远场源发射的射频信号。由于远场测试要求和信号发生系统轻质需要，无人机飞行较远且信号源功率受限，因此接收信号微弱。为了降低外界环境对测试结果造成的影响，在本次测试活动中，应尽可能利用长电缆连接的天线和接收机。由于信号在通过电缆后，会遭到一定程度的削弱，可以利用一些信号补偿技术，降低收发机在灵敏度上的要求。
4 飞行测试方法
六旋翼无人机搭载的远场源，需要通过不同的飞行姿态和飞行路线，测量得到不同的天线方向图。通常情况下，无人机的飞行路线是顺着天线辐射图的E面或者H面，以固定高度直航飞行。由于信号源的偶极子天线是线性极化，因此能够通过测试得到实验天线在某一频点的交叉极化方向图和共计划方向图。需要注意的是，这种飞行方式存在一定缺点。第一，随着测试天线距离无人机观察角度的不断增大，六旋翼无人机距离测试天线的角力也越来越远，随着空间距离不断增大，在耗损增多的情况下，也会直接影响接收机接收的效率；第二，在测试的过程中，需要得到大观察角度的方向图，就需要不断增加无人机的距离，这样由于续航上的问题，就只能得到本次测试唯一的一个方向图。六旋翼无人机在水平面的飞行测试和球面的飞行测试时，能够测试被测天线在俯仰角上的天线方向图，得到方位
角的天线方位图。无人机飞行轨迹和路线上，不同角度、不同方向组成的直线，并且测试的高度和面积都要保持一样大，同向条件测试下，测试的结果会随着距离的增大密度变小。测试时，无人机的飞行路线由同心圆组成，每一条测试路线高度相同，能保证数据采集的布局均匀，也能保证测试的路线在被测试天线的距离上也是一致的，所以在进行飞行测试的过程中，对于信号在路径上的损耗也是一致的。由于六旋翼无人机在测试的飞行路线上，被要求偏航角与飞行速度矢量垂直，并且还要求被测试的天线的偏航角要在同一飞行路线轨迹下进行连续变化。所以通过测试和飞行轨迹可以记录飞行器运行的全部参数以及同向极化的方向图。
5 无人机飞控系统的检测与信息获取
无人机的飞控系统是由检测系统、故障分析以及分析过程组成。检测系统主要负责检查无人机在飞行过程中各个部位的参数，包括飞行的姿态、飞行的位置、飞行的动态以及飞行的控制参数。故障分析主要针对检测系统的参数异常进行分析，对于分析过姿态的分析主要是传感器的角速度和加
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人工智能与识别技术
沃尔沃安全产生需要的数据，比如经过智能采集数据、智能挑选分类以及后期处理等步骤，可以高速生成数据报告等。而智能代理管理功能的实现，需要做到以下几点内容。其一，该技术在发挥作用的时候，要尽力贴近用户的生活习惯。其二，在处理完相应的信息后，要将信息输送到对应位置。其三，在解决用户任务的同时，还要促使用户使用、查信息[6]。出于人工智能特性的考虑，智能代理管理功能也拥有相似的优势：首先，该技术拥有比较高的自主性，可以合理安排人们的生活，例如安排文艺活动、进行网上购物等[7]；其次，该技术具备很高的学习能力，可以快速接受新事物，有利于扩充系统能力。依据这些优势，不论是用户日常生活的顺利进行，还是计算机技术的进一步发展，其都可以起到一定的积极促进作用[8]。
3 结 语
随着科技的发展，计算机网络的应用越来越广泛，对人们的日常生活产生了很大的影响。但在给人类生活带来便利的同时，也隐藏着诸多隐患，如信息泄露、病毒入侵等。对此，有关技术人员正在逐步引入人工智能技术，并取得了一定的进展，比如加强网络信息管理、加强网络安全等，有助于计
算机技术的进一步发展。
参考文献
[1]孙华，贾晓婷.大数据时代人工智能在计算机网络技术中的应用[J].信息与电脑(理论版),2018,403(9):133-135.
[2]李艳旭.大数据时代人工智能在计算机网络技术中的应用[J].农家参谋,2017(16):112.
[3]谷守军，王海永.大数据时代人工智能在计算机网络技术中的应用[J].电子制作,2017(6):30.
[4]胡晓君.大数据时代人工智能在计算机网络技术中的应用[J].信息系统工程,2017(9):95.
[5]查黄英.基于大数据时代人工智能在计算机网络技术中的应用研究[J].电子测试,2018,400(19):132-133.
[6]赵星.人工智能在计算机网络技术中的应用探讨[J].通讯世界,2018,335(4):32-33.
[7]章沪超.人工智能在计算机网络技术中的应用分析[J].电脑迷,2018,109(10):24-25.
[8]刘文斌，王进凯，时孟.人工智能在计算机网络技术中的应用[J].商情,2017(7):130.
速度，位置系统主要是分析无人机的坐标与高度是否与系统匹配，动力分析主要是对提供动力来源的
蓄电池进行分析。无人机必须具有独立自主信息获取能力、独立自主信息处理与决策能力、独立行为执行能力。独立自主信息获取能力是自主的基础，没有独立自主的信息获取能力，就是“空中楼阁”，就是个“附庸”或“寄生虫”；对无人机而言，如果信息需要外界提供，一旦外界不再提供信息，那么无人机就会变成“聋子、瞎子”；独立自主信息处理与决策能力是自主的核心，否则就谈不上自主，自己没有主见，只听别人发号施令，只能作“傀儡”；独立行为执行能力含义为独立服从自身决策层的命令，依据自身的能力去执行任务，而不是仅仅机械地执行外来命令。因此，无人机只有拥有以上能力，才能在飞行控制的过程中展现出智能、优越的操作性能。
6 多层次安全架构
在无人机飞控系统测试中，不同用户对服务有不同的需求，如果服务、计算、安全始终利用同一种安全系统，不能满足客户的需求，会损失大量客户。这种情况下，需要为无人机飞控系统提供多方面、多角度、多层次的安全服务体系。
7 结 语
为了满足天线远场测试需求，应将无人机作为飞行平台，并搭载射频信号发生系统，按照预定航线飞行，同时要测量被试天线的接收功率，根据弗里斯公式分离天线方向图函数。随着高精度传感技术、人工智能和电池行业的持续发展，提高了无人机飞行的稳定性、精确性和续航能力，推动了天线原位
测试技术向成熟化和专业化方向发展，破解了当前分布式大面积天线阵测试难题，能够为航天发展和深空探测助力。
参考文献
[1]刘峰丽.MIMU/GPS/磁力计单兵系统组合导航技术研究[D].哈尔滨：哈尔滨工程大学,2013:87.
[2]姚军锴，裘进浩，季宏丽，等.柔性变后掠飞行器非定常气动特性数值研究[J].空气动力学学报,2015,33(3):406-413.
[3]陈元恺.基于CFD 的分布式变后掠翼身组合体气动研究[D].南昌：南昌航空大学,2015:79.
[4]苏新兵，周洲，冯浩洋，等.变体飞机典型状态横航向动特性及控制研究[J].计算机仿真,2015,32(5):58-62,94.
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