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走近无人机飞控计算机系统

[日期:2014-04-25] 来源:电脑报  作者: [字体: ]

 

一场高交会上的无人机

 

无人机的飞控系统一般都采用嵌入式芯片控制

 

这架看似小巧的无人机售价高达数十万元

        4月11日,重庆南坪国际会展中心,一场高新技术交流展会正在这里举行。

      记者走进会场,一架橘黄色的多用途柔性翼无人机停在最显眼的位置,周围有很多观众都在评头论足。

      一名中航工业的工作人员正在进行无人机的性能介绍,记者走上前去跟他攀谈起来。

       在采访中,记者了解到跟任何飞行器一样,无人机上最重要的计算机模块就是飞行控制系统,简称飞控计算机,用于无人机的控制和导航。这部分系统关系着无人机能否真正实现自主飞行和智能飞行,而这两点是目前无人机技术发展的重要趋势。导航方式的改变对飞行控制计算机的精度提出了更高的要求。

      在另一架由中国航天科工集团于开发的小型电力手抛无人机旁边,记者看到了对于这架无人机内部配置的介绍,除了配备北斗卫星导航系统和红外线远程摄像头之外,最重要的就是采用了国产飞行控制计算机系统,可控制分形半径为10公里的区域。

      记者询问这架无人机的价格,工作人员伸出5个指头:“50万元!”

       在现场记者看到,一款普通的通用无人机飞控计算机其实跟一般我们接触到的嵌入式设备的差别并不大。飞控计算机系统的处理器一般都采用双CPU冗余技术,提供MICro SD、USB接口,内置惯导单元、差分GPS单元、数据链数传单元,同时提供DC24V输出电源

  随着小型无人机执行任务复杂程度的增加,如今对飞控计算机运算速度的要求也越来越高,不仅要求计算机的控制精度高,而且要求能够运行复杂的控制算法;与此同时,无人机小型化的发展趋势则对飞控计算机的功耗和体积也提出了很高的要求。

“软硬兼施”的无人机飞控系统

 

在无人机飞控计算机系统里面采用作为广泛的德州仪器TMS320 LF2407芯片

      4月16日,本报驻美记者联系到美国罗克韦尔·柯林斯公司一位前工程师伍斯特·高尔。罗克韦尔·柯林斯是一家老牌工业跨国集团,产品多达50多万种,在航空电子工业方面有很深的影响力。

      高尔从事航空电子设计长达15年,曾经参与许多飞行器控制系统的开发工作。他给记者展示了大量他曾经参与设计开发的飞行器图片,尤其是一些已经被应用到军用领域的无人机产品。

      在美国,实际上无人机分为两个层次,一个是大公司主导的军用和民用无人机,一个是民间发烧友自行DIY的山寨无人机。军用无人机已经有几十年的发展历史,而民间山寨无人机则是这几年才刚刚兴起。

      谈到无人机的飞控计算机系统。高尔表示,这个系统的关键依然是芯片。以前无人机最大的矛盾是一方面需要运算高速度,另一方面需要体积微型化,之所以无人机在巡航速度和范围方面很长一段时间没有突破,就是因为始终受限于飞控系统的性能,而飞控计算机系统的性能又受限于芯片的技术。

      这个问题真正得到解决是在嵌入式芯片飞跃发展之后。2005年之后,随着微电子技术的飞速发展,许多芯片开发公司设计出了众多功能强大,功耗、体积大大缩小的嵌入式计算机芯片。

      跟人们平时接触的芯片不同,在无人机的计算机芯片领域,应用在小型飞控计算机系统的芯片最为广泛的不是英特尔的,也不是AMD的,而是德州仪器公司开发的型号为“TMS320  LF2407”的DSP芯片(数字信号控制器),它是德州仪器公司TMS320系列中的一种16位定点DSP,

      高尔告诉记者,这种芯片的运算速度以及众多的外围接口电路很适合用来完成对小型无人机的实时控制功能。

      这是一种具有特殊结构的微处理器,芯片内部采用程序和数据分开的哈佛结构,具有专门的硬件乘法器,采用流水线操作,提供特殊的DSP指令,可以快速实现各种数字信号处理算法。使飞控机实现较复杂的飞行控制与飞行管理功能,同时还满足了小型无人机的小体积和低功耗的要求。

       在一台计算机上,高尔给记者演示了无人机飞控计算机系统控制飞机进行巡航飞行的整个过程。

      首先是飞控计算机系统的无线通信模块实时收集安装在无人机不同部位上的高精度传感器,收集飞行状态数据,同时通过远程数据传输模块接收来自地面控制站点发来的控制数据。

       接下来飞控计算机将实时收集的飞行数据和控制数据交给数据处理模块进行运算处理,根据运算结果得出一个个明确的控制指令,经过数据传输模块将指令发送给飞控系统的实时控制模块。

      第三步最为关键,即使实时控制模块按照这些指令对整个飞机的飞行模式进行控制和调整,与此同时将无人机的状态数据及发动机、机载电源系统、任务设备的工作状态参数实时传送给机载无线电数据终端,经无线电下行信道发送回地面控制站点,以便地面基站发出下一步控制数据。

  “飞控计算机系统的应用程序都是专门开发的?”记者问。

       高尔回答,不一定,飞控系统的应用程序很多都是用C语言进行编写,很多应用程序都是在原有飞行控制软件系统的基础上改造的。飞控系统的应用程序主要用来实现两方面的功能,一个是飞行控制,一个是飞行管理。

       对应着不同的硬件模块,这些应用程序按照具体职能分为四大单元:时间管理单元、数据采集处理单元、通信模块、控制单元。

     时间管理单元在毫秒级时间内对无人机进行实时控制;数据采集单元采集无人机的飞行状态、姿态参数以及飞行参数、飞行状态及飞行参数进行遥测编码,控制单元则负责进行解算工作。

 飞速发展的无人机浪潮

美军人员在地面基站操控无人机

        2012年之后,各国都加大力度开发无人机技术,作为无人机核心的飞控计算机系统同样取得了长足的发展。

       罗克韦尔·柯林斯公司就专门针对无人机客户推出了一款型号为GPC-3000的嵌入式计算机系统,包括数字视频录制和播放、多有效载荷传感器融合以及其他情报侦察监视应用程序。

       美国军方已经表示将把这款飞控计算机系统应到到目前最新的战术无人机上面,提升无人机作战能力。

   而随着飞控计算机系统价格的日益走低,美国民间的无人机浪潮也正在兴起,《连线 》杂志甚至乐观预测 无人机将是下一波“苹果潮”。

     《连线》杂志总编、无人机发烧友克里斯·安德森(Chris Anderson)在圣迭戈与人合作创立了3DRobotics公司。这家公司销售无人机的计算机部件,比如飞行控制模块和电子驾驶模块,公司成立之后,每年营收增长50%以上,在2013年,营收已经达到500万美元。

        美国媒体把无人机爱好者群体比作上世纪70年代硅谷的“自制电脑俱乐部”(Homebrew Computer Club),这个俱乐部涌现了后来大名鼎鼎的苹果公司联合创始人史蒂夫·乔布斯。

        40岁的杰森·肖特是旧金山设计公司Smart Design的一名产品设计师,他制造了十几架费用在150美元至1,000美元不等的遥控无人机。目前他正在研究通过iPhone和搭载Android系统的手机控制无人机的技术。

      最近,他声称自己正在开发一种强大性能的飞行控制计算机芯片,一旦这个芯片开发成功,将能够同时处理来自三个陀螺仪、三个加速计以及一个罗盘的数据,大大提升无人机的巡航半径和飞行速度。

      从技术角度来看民间的山寨无人机还比较触及,更多只不过是一个遥控航模的扩大版而已,基本上是通过电脑、无线电进行操控,当然不排除将可以通过手机来操控。

      在重庆高交会的采访中记者也了解到,目前包括中航工业在内的很多航空工业公司都在积极涉足民用无人机市场,通过开发价格更为低廉性能更加强大的飞控计算机系统和飞机模块,提升无人机的智能化飞行,加速无人机市场的快速发展。一份市场分析机构出示的调查报告显示,到2015年,包括飞控计算机系统在内,无人机市场价值将突破10000亿美元,而且将从军事领域进一步扩大到民用领域,得到更多积极应用。

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