行業(yè)：航空、偵查
應用需求：此無(wú)人機地面控制平臺的目的是測試無(wú)人機的飛行特性，為進(jìn)一步開(kāi)發(fā)無(wú)人機打好基礎。由于旋翼無(wú)人機的垂直起降、可懸停等特點(diǎn)，在2011年的日本大地震中，美國就曾利用類(lèi)似此非常規布局的旋翼飛行器對福島核電站的核泄漏情況進(jìn)行勘察和記錄并很好的完成了任務(wù)?？上攵?，此類(lèi)飛行器在不久的將來(lái)會(huì )有很大的發(fā)展。
面臨的挑戰：微型旋翼無(wú)人機的最大特點(diǎn)就是能夠垂直起飛和降落，可以飛至離目標更近的區域，而不像傳統直升機由于其巨大的旋翼不能靠近目標，也正是這個(gè)原因，微型旋翼無(wú)人機對控制系統的要求極高。
使用 NI LabVIEW和CompactRIO 平臺作為控制系統編寫(xiě)整個(gè)控制系統管理飛行數據采集以及控制飛行。如果此控制系統硬件由實(shí)驗室自主開(kāi)發(fā)，首先開(kāi)發(fā)周期長(cháng)，包括硬件設計、原型建造、軟件設計和編程、軟件測試、系統測試等將會(huì )花費掉大量的時(shí)間和金錢(qián)，而如果選用NI CompactRIO作為系統架構，將會(huì )省掉整個(gè)硬件設計和調試周期，使我們將大部分精力放在軟件調試和系統驗證上，大大縮短了開(kāi)發(fā)周期。
微型機飛行原理介紹
此次項目我們要完成的任務(wù)是：開(kāi)發(fā)一個(gè)無(wú)人機地面控制平臺，為實(shí)驗室自主設計的單旋翼+四氣動(dòng)面微型無(wú)人機嵌入控制系統，使其穩定懸停。
本無(wú)人機是單旋翼四氣動(dòng)面軸對稱(chēng)非常規布局的微型無(wú)人機，直徑約為30cm，高度約為20cm，無(wú)人機的飛行原理是單旋翼提供升力驅動(dòng)力，定子（Stator）用來(lái)抵消部分電機的反扭力矩，旋翼高速旋轉產(chǎn)生的氣流通過(guò)四個(gè)氣動(dòng)舵面的偏轉來(lái)產(chǎn)生反扭力矩并且控制無(wú)人機姿態(tài)的飛行。
硬件和系統結構
如果此控制系統硬件由實(shí)驗室自主開(kāi)發(fā)，首先開(kāi)發(fā)周期長(cháng)，包括硬件設計、原型建造、軟件設計和編程、軟件測試、系統測試等將會(huì )花費掉大量的時(shí)間和金錢(qián)，而如果選用NI CompactRIO作為系統架構，將會(huì )省掉整個(gè)硬件設計和調試周期，使我們將大部分精力放在軟件調試和系統驗證上，大大縮短了開(kāi)發(fā)周期，所以，我們選用了NI的CompactRIO平臺。
此地面控制系統是由信號采集模塊和實(shí)時(shí)控制模塊組成。信號采集模塊由NI 9401來(lái)完成，通過(guò)配置NI 9401的I/O口，通過(guò)CompactRIO FPGA與SPI協(xié)議將無(wú)人機上IMU（慣性測量元件）的飛機姿態(tài)信號采集到CompactRIO實(shí)時(shí)控制器上，CompactRIO 實(shí)時(shí)控制器接收由FPGA 傳送來(lái)的傳感器信息并且記錄所有飛行數據。CompactRIO FPGA 通過(guò)NI-9401數字輸入輸出模塊接收信號，通過(guò)NI-9474和NI-9401模塊產(chǎn)生PWM激勵信號，激勵舵機和電機的偏轉。
軟件
旋翼無(wú)人飛行器系統具有典型的CompactRIO應用設計結構。其中FPGA代碼控制SPI協(xié)議的傳輸和5路任意占空比PWM波的生成。我們使用NI LabVIEW Real-Time 開(kāi)發(fā)模塊將通過(guò)FPGA 讀取的飛行數據存儲在嵌入式控制器上，利用PID控制算法得到實(shí)時(shí)的控制信號發(fā)送給電機和舵機。利用MAX軟件開(kāi)發(fā)CompactRIO設備與PC機得以太網(wǎng)通信。在地面控制臺，我們使用筆記本電腦用LabVIEW開(kāi)發(fā)了友好的人機交互界面來(lái)實(shí)時(shí)顯示無(wú)人機的飛行信息。
成果
微型旋翼無(wú)人機在基于CompactRIO平臺的控制下，成功實(shí)現了6s懸停。據作者所知，國內尚沒(méi)有此類(lèi)飛行器的懸停視頻。
結論
NI 的CompactRIO 在這個(gè)項目的開(kāi)發(fā)中起了核心的作用，它的易用性，可靠性以及可編程性對旋翼無(wú)人機的控制已經(jīng)足夠。它大大的縮短了無(wú)人機的開(kāi)發(fā)周期，是測試無(wú)人機飛行特性系統的理想選擇。以后，我們要用更多的傳感器，更充分的發(fā)揮CompactRIO的強大功能，最終實(shí)現智能飛行。
