基于CompactRIO的无人驾驶旋翼飞行器

发布日期：2021/8/16来源：网络

应用领域：
航空研究

使用的产品：
CompactRIO, LabVIEW

挑战：
开发一个有自动飞行功能的直升机平台，作为大学控制和导航研究之用。

应用方案：
使用 NI LabVIEW和CompactRIO平台作为飞行计算机编写整个控制系统管理飞行数据采集以及控制飞行。在波罗尼亚大学航空航天学院，我们开发了无人驾驶的旋翼飞行器作为无人飞行控制
和导航研究的测试机。

人们对无人飞行器在军事领域的浓厚兴趣催生了私营企业研发无人飞行器的雄心。可想而知，无人驾驶飞行器在民用领域是一个值得期待的低成本选择。相比传统的飞行器，无人飞行器在人员安全，运作成本以及工作效率方面具有巨大的优势。无人飞行器以及旋翼无人飞行器的研究在美国已经相当发达，但是在欧洲才是刚刚起步。欧盟因此资助了CAPECON，一个无人飞机的研究项目以启动欧洲民用无人飞行器工业的发展。在波罗尼亚大学，最近正在进行固定机翼无人飞行器系统的开发和制造，我们非常希望参加 CAPECON项目。

    除此之外，波罗尼亚大学也开始了旋翼无人飞行器的研究项目，显然旋翼无人飞行器在很多民用场合优于固定机翼，因为它灵活的飞行模式和机动性，并且具有垂直起飞和降落的能力。这个旋翼无人飞行器项目的主要目的是为控制和导航研究开发一个具备直升机功能的自动飞行器。

硬件和系统结构：
    我们开发了两个模型的直升机平台，每个都有5.5kg的有效载荷。自动飞行需要航空电子系统来
使它们保持稳定的高度并依照设计的轨迹飞行。这样的航空电子系统由传感器，计算机，数据传输设备组成由软件来指示，导航，控制飞行器。这些组成部分对直升机是相当关键的，然而这些系统本身都不相当稳定的。因此我们决定选用NI的CompactRIO平台。

    我们改进了Hirobo 60 和Graupner 90 业余直升机，使用装载航空电子设备。NI CompactRIO作为飞行计算机工作，CompactRIO FPGA采集传感器信息，根据控制算法产生PWM激励信号。CompactRIO实时控制器接收由FPGA传送来的传感器信息并且记录所有飞行数据，同时管理和地面控制台之间的无线以太网通信。CompactRIO FPGA通过 NI cRIO-9411数字输入模块接收信号，通过cRIO-9474 数字输出模块产生PWM激励信号。系统通过模拟输入模块cRIO-9201 采集各种状态参数比如电池电压。

    整个系统总重为5kg——正好在我们的小型直升机有效载荷之内。如果有更大的直升机平台，一个或更多的NI CompactRIO模块可以作为备用系统。

软件
旋翼无人飞行器系统具有典型的CompactRIO应用设计结构。其中的FPGA代码用了4个不同的定时读写循环和一个PID控制循环来控制直升机的高度。PID循环速率接近50Hz，写循环发送PWM指令给直升机的伺服马达和摄像机的稳定装置。第一个读循环读取直升机的高度，角速度，速度，并从Crossbow NAV420 通过 RS232 读取GPS 位置信息。使用FPGA的数字输入实现RS232 协议以保证数据读取的确定性，这样的确定性用实时系统是无法实现的。我们使用NI LabVIEW Real-Time 开发模块将通过FPGA读取的飞行数据存储在嵌入式控制器上，并利用LabVIEW Real-Time 通信开发向导开发和地面控制台的无线以太网通信。在地面控制台，我们使用笔记本电脑用LabVIEW开发了运行在WindowsXP上的地面控制程序。程序有两个窗口，一个是座舱仪表，另一个是遥测数据实时显示。

结论
NI的 CompactRIO在这个项目的开发中起了至关重要的作用，它的易用性，可靠性以及可编程性对直升机的控制已经足够。在不久的将来，我们计划集成更多的传感器（比如声纳高度表）到这套航空电子系统中，对更为复杂的飞行模式进行测试，并且完成导航算法，最终实现智能的自主飞行。

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