摘要：針對目前無人機(jī)編隊表演由成百上千架無人機(jī)搭載 LED 組成空間點(diǎn)陣的高成本現(xiàn)狀，提出了一種新型的無人機(jī)編隊表演方式。通過差分 GPS定位方法操控 4架無人機(jī)搭載 LED 燈帶組成空間點(diǎn)陣，將空間定位和燈帶控制結(jié)合，共同完成 LED 空間點(diǎn)陣。整個系統(tǒng)采用兩層架構(gòu)實現(xiàn)，第一層由地面主站到無人機(jī)，操控?zé)o人機(jī)的定位及其轉(zhuǎn)發(fā)對燈帶的控制指令;第二層由 FPGA 核心板到燈帶，接收地面發(fā)送的指令，對燈帶上 LED 燈的亮滅進(jìn)行控制，實現(xiàn)無人機(jī)編隊表演各種圖案。試驗結(jié)果表明，新型無人機(jī)編隊表演控制系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，可降低無人機(jī)編隊表演成本。

　　關(guān)鍵詞：無人機(jī);編隊表演;控制系統(tǒng);LED 點(diǎn)陣

　　Abstract: Due to the high cost of the UAV formation performance is composed of hundreds of UAVcarrying LED to form a space lattice, a new-type control system of UAV fomation performance is proposed. The four UAV equipped with LED light belt are controlled by differential GPS positioning method. The space positioning and light belt control are integrated to complete the LED space lattice. Thewhole system adopts two-tier architecture. The first layer is from the ground master station to the UAV to control the positioning of UAV and to send instructions FPGA in order to control the light belt. In the second laver, from FPGA core board to light belt, it receives the instructions from the ground to control the LED light on and off., so as to realize UAV fommation performance of various patterns. The test results show that the new-type control system of UAV formation performance is stable and reliable and can reduce the cost of UAV formation performance.

　　Kevwords: UAV: formation perfomance; control system; LED dot matrix

　　隨著無人機(jī)編隊表演的興起，編隊飛行表演成為小型無人機(jī)發(fā)展的新方向[1-4]。目前，編隊表演是由成百上千架無人搭載 LED 燈光在空間組成點(diǎn)陣，通過燈光色彩編程控制每架無人機(jī)上 LED 光源的亮滅組成各種圖案[5-11]。但是，編隊表演形式存在一些不足，主要表現(xiàn)為需要無人機(jī)數(shù)量多、大批量摔機(jī)、單個掉落、單個飛走等，抗干擾能力有待加強(qiáng)，而且每一次表演的費(fèi)用昂貴[12-15]。文中設(shè)計了一種新型的無人機(jī)編隊表演控制系統(tǒng)，可降低無人機(jī)編隊表演成本。

　　1 無人機(jī)組成原理

　　無人機(jī)由飛控計算機(jī)、傳感器系統(tǒng)、GPS 模塊和動力系統(tǒng)等組成[15-16]。飛行控制系統(tǒng)被視為無人機(jī)的大腦，其核心是飛控計算機(jī)，飛機(jī)是懸停還是飛行、向哪個方向飛都是由飛控下達(dá)指令;傳感器系統(tǒng)相當(dāng)于無人機(jī)的眼睛，用于實時測量和采集無人機(jī)數(shù)據(jù);GPS 模塊用于對無人機(jī)進(jìn)行定位;通信模塊用于無人機(jī)和地面基站進(jìn)行通信;動力系統(tǒng)由無人機(jī)的風(fēng)門、升降機(jī)、方向機(jī)、副翼和動力電池組成，飛控計算機(jī)發(fā)出的指令給動力系統(tǒng)，從而完成各種動作。

　　1.1 飛控系統(tǒng)

　　無人機(jī)飛控系統(tǒng)如圖 1 所示，其主要由遙控板和飛控板組成。無人機(jī)飛行控制系統(tǒng)是指能夠穩(wěn)定無人機(jī)飛行姿態(tài)，并能控制無人機(jī)自主或半自主飛行的控制系統(tǒng)。飛控系統(tǒng)實時采集各傳感器測量的飛行狀態(tài)數(shù)據(jù)、接收無線電測控終端傳輸?shù)挠傻孛鏈y控站上行信道送來的控制命令及數(shù)據(jù)，經(jīng)計算處理，輸出控制指令給執(zhí)行機(jī)構(gòu)，實現(xiàn)對無人機(jī)中各種飛行模態(tài)的控制和對任務(wù)設(shè)備的管理與控制。同 時，將無人機(jī)的狀態(tài)數(shù)據(jù)及發(fā)動機(jī)、機(jī)載電源系統(tǒng)、任務(wù)設(shè)備的工作狀態(tài)參數(shù)實時傳送給機(jī)載無線電數(shù)據(jù)終端，經(jīng)無線電下行信道發(fā)送回地面測控站。

　　1.2 無人機(jī)定位

　　文中系統(tǒng)采取差分 GPS 定位方法，目的在于消除常規(guī) GPS 技術(shù)中人為加入的系統(tǒng)誤差。差分系統(tǒng)由坐標(biāo)已知、固定不動的基準(zhǔn)站和移動站組成，其工作原理如下

　　1.3 飛控系統(tǒng)硬件

　　飛控板由 STM32 主控制器和 MPU6000 陀螺儀組成，其原理如圖 2 所示。主控制器根據(jù)當(dāng)前的任務(wù)指示結(jié)合控制算法，輸出適當(dāng)占空比的 PWM 波信號，控制電源輸出的交變電流大小及尾部舵機(jī)轉(zhuǎn)向，由此完成四旋翼、固定翼、直升機(jī)的姿態(tài)控制飛行。飛控系統(tǒng)無需借助 GPS 融合或者磁場傳感器參與修正，就能保持長時間的姿態(tài)控制。通過 C 語言編譯便可設(shè)置或者更改飛機(jī)種類、飛行模式、支持云臺增穩(wěn)等功能。由于地面站軟件集成了完整的電子地圖，因此可以通過電臺實時監(jiān)測飛機(jī)狀態(tài)。

　　1.4 LED點(diǎn)陣

　　如圖3所示，以8x8x8的點(diǎn)陣為例。4架無人機(jī)在同一平面上飛行，組成一個正方形，搭載LED點(diǎn)陣的一個端點(diǎn)。同一平面內(nèi)有64個LED點(diǎn)陣，立體空間LED組成了512個點(diǎn)陣。編寫圖案程序，并將指令發(fā)送至FPGA，由FPGA控制LED的亮滅，形成所需圖案。

　　1.5 LED點(diǎn)陣驅(qū)動

　　設(shè)計用FPGA芯片EPIC6QC240c8。系統(tǒng)根據(jù)LED點(diǎn)陣的要求，利用Avalon總線配置了32位CPU軟核以及ROM，RAM、SRAM，F(xiàn)IFO、SDRAM和DMA等片內(nèi)外資源。用C語言編寫DMA控制程序，實現(xiàn)在FIFO與Avalon傳輸，同時還專門設(shè)計了LED控制器，以實現(xiàn)LED點(diǎn)陣顯示圖案的功能。使用FPGA的10口來驅(qū)動LED點(diǎn)陣的行，但由于10口的輸出電流比較小，無法直接驅(qū)動行方向的LED燈，所以要在10口輸出管腳與點(diǎn)陣的行之間安裝一個PNP型的三極管，起到放大電流的作用。當(dāng) IO 口給出低電平時，三極管導(dǎo)通，三極管的另一端輸出高電平，點(diǎn)亮行向 LED。行 LED 點(diǎn)陣行驅(qū)動如圖 4 所示。以8×8×8 的點(diǎn)陣為例，在 8×8 的平面內(nèi)需要布置 64 個三極管放大器，用于驅(qū)動同一平面內(nèi)的 LED 燈。列驅(qū)動采用 FPGA，其本身就具有鎖存功能和移位輸出功能，且移位寄存器和輸出鎖存器的控制是相互獨(dú)立的，可實現(xiàn)在顯示一行的列數(shù)據(jù)同時傳送出下一行的列數(shù)據(jù)。LED 點(diǎn)陣的列線接到 FPGA 的 IO 口 上。主機(jī)給出指令顯示數(shù)據(jù)，實現(xiàn)對 LED 點(diǎn)的控制。列 LED 點(diǎn)陣列驅(qū)動如圖 5所示。

　　2軟件設(shè)計

　　2.1 飛行模塊主程序設(shè)計圖6所示為飛行模塊主程序圖，電路通電后，各芯片進(jìn)行初始化，進(jìn)入按鍵掃描階段，此時系統(tǒng)處于待機(jī)狀態(tài)。

　　2.2 中斷控制流程圖程序設(shè)計圖7所示為中斷控制流程圖程序，中斷源向MPU提出處理要求，MPU先暫時停止當(dāng)前的工作，而轉(zhuǎn)去處理另一件工作。具體步驟是首先要把中斷打開，當(dāng)有中斷時，保護(hù)被中斷進(jìn)程現(xiàn)場，將當(dāng)前PSW和PC等的值保存;接著，若有多個中斷同時發(fā)出請求，則進(jìn)入優(yōu)先級最高的中斷，處理數(shù)據(jù);之后恢復(fù)被中斷進(jìn)程現(xiàn)場，返回主程序。

　　2.3 LED點(diǎn)陣程序設(shè)計

　　圖8所示為LED點(diǎn)陣顯示主程序，系統(tǒng)采用c語言編寫LED點(diǎn)陣圖案程序，通過編譯器將源程序編譯成可執(zhí)行文件并下載，對可執(zhí)行程序進(jìn)行調(diào)試和運(yùn)行。主程序主要完成系統(tǒng)的初始化，其主要功能是：對于系統(tǒng)中的每一個微處理器，從設(shè)備都生成一個定義該設(shè)備地址的頭文件，為軟件開發(fā)創(chuàng)建存儲器映射文件。DMA的操作通過中斷服務(wù)程序執(zhí)行，把需要送出的像素信息排成一行，順序送出形成數(shù)據(jù)流，借助于Avalon流模式外設(shè)的設(shè)計方法，實現(xiàn)一個Avalon流模式的LED控制器。利用DMA控制器在流模式控制器和SRAM之間建立一條DMA傳送通道，通過硬件來完成像素信息的自動讀取。

　　3結(jié)束語

　　文中提出一種新型無人機(jī)編隊表演方法，由4架無人機(jī)搭載LED燈帶組成點(diǎn)陣，控制點(diǎn)陣中LED的亮滅，實現(xiàn)各種所需圖案;該系統(tǒng)LED燈點(diǎn)陣可以擴(kuò)展，可由多架無人機(jī)LED平面燈組成空間立體，實現(xiàn)立體圖案。該系統(tǒng)用LED燈帶組成點(diǎn)陣，可以減小無人機(jī)數(shù)量，降低表演成本，具有一定使用推廣價值。

　　參考文獻(xiàn)：

　　[1]董艷，基于觀測器的無人機(jī)編隊系統(tǒng)的故障診斷技術(shù)研究[D南京：南京航空航天大學(xué)，2018.

　　[2]Paul G F，ThomasJG.無人機(jī)系統(tǒng)導(dǎo)論[M].吳漢平，譯.北京：國防工業(yè)出版社出版社，2015.

　　[3]王品，姚佩陽，多無人機(jī)系統(tǒng)分布式編隊控制[J].計算機(jī)工程與應(yīng)用，2016，52(16)：1-6.

　　[4]方佳敏無人機(jī)系統(tǒng)自主控制技術(shù)研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢J.絲路視野，2018(2)：183.

　　[5]李相民，薄寧，代進(jìn)進(jìn)，等，有無人機(jī)編隊協(xié)同作戰(zhàn)指揮控制關(guān)鍵技術(shù)綜述J]飛航導(dǎo)彈，2017(9)：29-35.

　　16]邵義龍，段欣好.多無人飛行器協(xié)同編隊控制[J].科技信息，2013(20)：111-112

　　[7]潘華，毛海濤無人機(jī)編隊飛行面臨問題及關(guān)鍵技術(shù)研究[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，201416：85-87.

　　[8]雷金奎，原丹丹，李海生.基于ARM的雙冗余微小型無人機(jī)飛行控制系統(tǒng)的設(shè)計J電子設(shè)計工程，2016，241)：162-164.

　　[9]施書成，無人機(jī)多機(jī)編隊飛行控制技術(shù)研究[D.南京：南京航空工業(yè)大學(xué)，2019.

　　[10]張晉武.無人機(jī)編隊飛行技術(shù)研究[].艦船電子工程，2015(8)：15-18.

　　[11]楊才廣，姚志興，譚永鎮(zhèn)，等.基于STM32的無人機(jī)飛行控制系統(tǒng)[].電子世界，2019(1)：130-131.

　　[12]李倩，雷仲魁無人機(jī)飛行控制器及模糊編隊控制器的設(shè)計小電子設(shè)計工程，2016，24(16)：86-88.

　　[13]常凱，黃考利，馬代亮，無人機(jī)編隊對地面目標(biāo)追蹤問題研究J].電光與控制，2016(23)：15.

　　[14]王鵬，張振峰，曹明川，等，基于一致性多無人機(jī)編隊的研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢[J].艦船電子工程,2017(9):1-9.

　　[15]郭佳暉,任夢潔.基于串級模糊PID的四旋翼姿態(tài)控制研究[J].電子設(shè)計工程,2018(17):145-149.

　　[16]孔德勝.某型固定翼無人機(jī)飛控系統(tǒng)的設(shè)計與仿真[D].北京:北京理工大學(xué),2015.

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文章名稱： 無人機(jī)編隊表演控制系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

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