行業(yè)：航空、偵查
應(yīng)用需求：此無人機地面控制平臺的目的是測試無人機的飛行特性，為進(jìn)一步開發(fā)無人機打好基礎(chǔ)。由于旋翼無人機的垂直起降、可懸停等特點，在2011年的日本大地震中，美國就曾利用類似此非常規(guī)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)。可想而知，此類飛行器在不久的將來會有很大的發(fā)展。
面臨的挑戰(zhàn)：微型旋翼無人機的最大特點就是能夠垂直起飛和降落，可以飛至離目標(biāo)更近的區(qū)域，而不像傳統(tǒng)直升機由于其巨大的旋翼不能靠近目標(biāo)，也正是這個原因，微型旋翼無人機對控制系統(tǒng)的要求極高。
使用 NI LabVIEW和CompactRIO 平臺作為控制系統(tǒng)編寫整個控制系統(tǒng)管理飛行數(shù)據(jù)采集以及控制飛行。如果此控制系統(tǒng)硬件由實驗室自主開發(fā)，首先開發(fā)周期長，包括硬件設(shè)計、原型建造、軟件設(shè)計和編程、軟件測試、系統(tǒng)測試等將會花費掉大量的時間和金錢，而如果選用NI CompactRIO作為系統(tǒng)架構(gòu)，將會省掉整個硬件設(shè)計和調(diào)試周期，使我們將大部分精力放在軟件調(diào)試和系統(tǒng)驗證上，大大縮短了開發(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：開發(fā)一個無人機地面控制平臺，為實驗室自主設(shè)計的單旋翼+四氣動面微型無人機嵌入控制系統(tǒng)，使其穩(wěn)定懸停。
本無人機是單旋翼四氣動面軸對稱非常規(guī)布局的微型無人機，直徑約為30cm，高度約為20cm，無人機的飛行原理是單旋翼提供升力驅(qū)動力，定子（Stator）用來抵消部分電機的反扭力矩，旋翼高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的氣流通過四個氣動舵面的偏轉(zhuǎn)來產(chǎn)生反扭力矩并且控制無人機姿態(tài)的飛行。
硬件和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
如果此控制系統(tǒng)硬件由實驗室自主開發(fā)，首先開發(fā)周期長，包括硬件設(shè)計、原型建造、軟件設(shè)計和編程、軟件測試、系統(tǒng)測試等將會花費掉大量的時間和金錢，而如果選用NI CompactRIO作為系統(tǒng)架構(gòu)，將會省掉整個硬件設(shè)計和調(diào)試周期，使我們將大部分精力放在軟件調(diào)試和系統(tǒng)驗證上，大大縮短了開發(fā)周期，所以，我們選用了NI的CompactRIO平臺。
此地面控制系統(tǒng)是由信號采集模塊和實時控制模塊組成。信號采集模塊由NI 9401來完成，通過配置NI 9401的I/O口，通過CompactRIO FPGA與SPI協(xié)議將無人機上IMU（慣性測量元件）的飛機姿態(tài)信號采集到CompactRIO實時控制器上，CompactRIO 實時控制器接收由FPGA 傳送來的傳感器信息并且記錄所有飛行數(shù)據(jù)。CompactRIO FPGA 通過NI-9401數(shù)字輸入輸出模塊接收信號，通過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(zhuǎn)。
軟件
旋翼無人飛行器系統(tǒng)具有典型的CompactRIO應(yīng)用設(shè)計結(jié)構(gòu)。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 開發(fā)模塊將通過FPGA 讀取的飛行數(shù)據(jù)存儲在嵌入式控制器上，利用PID控制算法得到實時的控制信號發(fā)送給電機和舵機。利用MAX軟件開發(fā)CompactRIO設(shè)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開發(fā)了友好的人機交互界面來實時顯示無人機的飛行信息。
成果
微型旋翼無人機在基于CompactRIO平臺的控制下，成功實現(xiàn)了6s懸停。據(jù)作者所知，國內(nèi)尚沒有此類飛行器的懸停視頻。
結(jié)論
NI 的CompactRIO 在這個項目的開發(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人機的控制已經(jīng)足夠。它大大的縮短了無人機的開發(fā)周期，是測試無人機飛行特性系統(tǒng)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，最終實現(xiàn)智能飛行。
