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行勘察和記錄并很好的完成了任務(wù)?？上攵祟愶w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，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。