秦征 孔令贺
陆军航空兵学院 河南驻马店
陆军航空兵学院 陕西宝鸡
【摘要】作为一种小型，低成本，简单结构的无人直升机，四旋翼飞机越来越受欢迎。有利于会议研究的惯性导航系统的研究与设计对于提高四旋翼直升机定点导航的飞行稳定性和准确性具有重要意义。本文的目的是设计一种简单的四轴通信协议的高精度惯性导航装置，并对惯性导航系统，通信协议过滤算法等进行详细的研究。
【关键词】四旋翼直升机；惯性导航；系统研究
一、四旋翼直升机设计及产生背景
1.四旋翼直升机是一种旋翼飞行器飞机，由围绕直升机中心对称对称的四个旋翼组成。它被归类为垂直起降旋翼机，因为它漂浮在空中并且可以向前飞行和垂直起降。与传统旋翼飞机相比，四旋翼飞机可以在更紧凑的结构中产生更大的升力，四个旋翼可以忽略彼此相反的扭矩，并且不需要特殊的反扭矩螺旋桨。它是一个小型的四轮无人驾驶飞机。该飞行器具有多种民用和军事视角，非常适合在侦察，监视等近距离环境（城市，丛林，室内等）中进行工作。同时，火星探测无人机也是重要的研究方向。此外，其简单的结构，新颖的外形，优良的性能，低成本的成本以及其独特的飞行控制方法（通过控制4个旋翼的速度实现飞行控制）引起了研究人员的关注，并迅速成为国际上的新热点。这是研究的压抑。
2.作为最常用的导航系统，惯性导航系统（INS）的主要功能是：首先，它具有强大的工作自主性。导航设备可以独立完成导航功能，而无需地面设备和其他外部信息。同时，由于在搜索过程中不会与外界交换信息，因此可以确保导航信息的安全性。然后提供更多的导航参数[1]。导航设备可以通过姿态计算为飞行事业提供全面而准确的数据输出，例如速度，加速度，位置和飞行所需的姿态。更多的参数输出可确保自主飞行。第三，它具有广泛的应用条件和强大的导航抗干扰能力，其工作环境可以适应空中，地面和水下。它对由光，电和磁形成的波浪形磁力线影响很小。第四，惯性导航系统分为两类：平台惯性导航系统和捷联惯性导航系统。捷联惯性导航消除了机电平台，并显着提高了系统的尺寸，质量和成本。系统可用性和可靠性在纠错技术和导航系统要求的准确性和复杂性方面，基于平台的惯性导航比捷联式导航具有某些优势。
二、惯性导航测试的现状
飞机配备有完整的机载惯性导航系统，以确保飞机在其轨道上准确可靠地飞行[1]。惯性导航是一种测量飞机的加速度（惯性）并自动执行积分计算以检索飞机瞬时速度和瞬时位置数据的技术。构成惯性导航装置的装置安装在载体上，并且目前不依赖于外部信息，不向外界提供能量，并且难以干扰自助导航系统。[2]
在飞机的制造和组装过程中，对飞机的信号传感器和系统组件进行了功能测试，以模拟飞机在室内环境中的空气移动姿势[3]验证信号是否处于正常状态。飞行。飞行安全。功能测试之一是对飞机的惯性导航系统进行功能测试，检查惯性导航系统的输出信号是否正常，并配合飞行控制测试。以前，惯性导航设备的测试是在手动转盘上进行的，但存在诸如转速不均匀，位置误差大小和人员影响较大的缺点。同样，您不能仅测试单个惯性导航设备，也不能真正模拟飞机的飞行。正确姿势。针对上述问题，提出了一种开发飞机惯性导航装置的电动转盘平台系统的系统，其具有自动控制设计以解决上述问题。运营商可以通过简单地操作设备来模拟各种飞机的飞行姿态，提高飞机系统测试测试的效率，并更有效地模拟飞机的飞行姿态。
三、传感器模块设计
传感器模块包括惯性测量系统（IMU），GPS，高度计，红外传感器等。GPS传感器用于测量室外飞行中飞机的位置，传感器可用于测量室内飞行中的位置。
目前，该实验仅在室内进行，因此GPS和高度计未安装在中队上。惯性测量系统由日本Murata（Murata）制造的单轴陀螺仪ENC-03R和意法半导体的第三轴加速度计LIS3L02AS4组成。 ENC-03R有两种型号：ENC-03RC和ENC-03RD。如果将3个陀螺仪焊接到电路板上，则第2个应与第3个不同。因此，两个ENC-03RC和一个ENC-03RD构成了一个三轴陀螺仪系统。本文以TLUO缺口端口的输出为例。其他TLUOpitch和TLUO-roll电路与TLUO-nick的电路相同。
四、控制系统硬件设计
根据惯性导航装置电动转台的功能要求和特点，控制系统由PLC +伺服电机提供。电动转盘具有三个旋转轴，每个旋转轴均由伺服电机控制。每个轴必须能够精确控制旋转角度和旋转速度[4]。旋转角度的定位精度很高，并且需要三轴互锁。技术指标应该很高。 380VAC电源为驱动电机的驱动器提供380VAC电源。一方面，PLC通过向驱动器发送命令信号来控制驱动器的运行，并通过该信号来控制电动机的运行。同时，PLC可以从驱动器读取电动机的编码器信号，并知道电动机实际旋转的角度。 PLC，驱动器和触摸屏之间的通讯通过Profinet总线协议进行，这大大简化了机柜内部的接线。驱动器通过放大信号功率来驱动和运行电动机。电动机的输出轴连接至机械结构的三个旋转轴，以实现旋转的基座驱动惯性导航装置的俯仰，侧倾和偏航方向的三个旋转。 HMI充当操作员站，并为操作员提供用于设备操作的用户交互界面。
（一）PLC 控制系统。
PLC是从西门子的中高端产品中产品S7-1500，适用于功率模块SITOP PSU8200和SITOP PSE200U。电源模块为PLC，驱动器和触摸屏供电。控制系统通过控制每个轴的伺服电动机来驱动和移动负载。机械结构叠加了每个轴的运动，可以针对安装空间中的负载任意调整可以在顶部三个方向旋转的负载。操作员将设定值发送给PLC，然后PLC驱动控制V90的伺服电动机。同时，伺服电机的编码器将数据实时返回给PLC。PLC比较设定值和实际值之间的差，计算PID，然后将控制信号输出到V90，以实现闭环控制并实现精确的位置控制。
（二）驱动器及伺服电机。
SIEMENS伺服电机由于其起 动转矩大、运行范围较广、 无自转现象的优点，十分适 合惯性导航装置电动转台模拟3个转向的场合。控制柜内部集成了主要的控制部件，如西门子1511PLC，3个驱动器 V90，电源模块，HMI模块，空开、端子排、继电器等。
总结
在经典滑流理论的基础上，简要介绍了小型四旋翼直升机的飞行原理。参照我们目前成熟的无人机设计经验，我们研究了微型四旋翼直升机的飞行控制系统的原理，并显示了该飞行控制系统的原理框图。在原理框图的指导下，设计了微型四旋翼直升机的硬件架构，并结合现有的微型四旋翼直升机的研究成果，进一步介绍了飞行控制板系统的设计，并研究了主要的惯性导航系统。最后，在飞行平台上进行了室内飞行测试。记录的飞行数据表明，所设计的控制器适用于室内飞行控制。但是，到目前为止，尚未进行现场测试。因此，在接下来的研究项目中，我们需要进一步确认控制器的控制效果。同时，使用其他非线性控制定律，例如神经网络控制，也是进一步研究的主题。【关键词】
[1]黄旭，王常虹. 磁强计和微机械陀螺/加速度计组合定姿的扩展卡尔曼滤波器设计[J]. 黑龙江大学自然科学学报，2005,22(4):454-458.
[2]B.达尼克,“ 积分惯性速度辅助设备及位置辅助设备的飞机导航”。1 968年美导航协会第触次会议录
[3]何清华，杨敏，贺继林，等． 基于 DSP 的小型无人机飞行控制系统设计［J］． 华中科技大学学报: 自然科学版， 2008，36( 1) : 254-257．