无人机飞行安全控制系统的设计与实现

当主控ＣＰＵ接收到一组完整的数据后，首先判断该帧数 据是否为“复位”指令数据，如果是，则执行“复位”功能； 如果不是，则判断该帧数据的正确性和可用性。
如果数据可用，则判断该点是否在装订的安控预警线内； 如果超越出安控预警线开始计时，并在随后的３０ｓ内一直没有 回刭安控预警线内，则判断是否超出警戒线；如果连续ｌｏ次 超出警戒线，则执行安控，即连续发出两条指令，通过Ｐｏ．４ 脚和Ｐｏ．５脚输出两路低电平信号，分别通过两个光耦控制 两个大功率开关ＭＯＳ管，从而断开舵机离合器电源，使无人 机坠毁。主控ＣＰＵ的程序流程框图如图４所示。 ２．３．３软件可靠性策略
控串口通信，向安控器发送仿真ＧＰｓ数据，显示仿真轨迹， 并监测安控器的执行情况，以完成安控器的地面监测。
（３）实时监测：通过数据线或数传电台接收机载安控器的 输出数据，显示无人机飞行轨迹，并监测安控器的执行情况。 参考搜索雷达的测量数据，如果机载ＧＰＳ确实受到干扰或输 出不正常，可发出复位指令，则机载安控器程序、状态复位， 暂时不执行安控。
机载安控器同时输出ＧＰＳ解算数据，通过数传电台或数 据线连接至地面监控微机，实现无人机和地面监控微机的半双 工通信。
地面监控微机根据解算数据生成无人机飞行航迹，供地面 领航参考。并且，地面监控微机可根据需要向机载安控器发出 “复位”指令，以人工干涉安控执行。另外，地面监控微机可 以向安控器发送ＧＰＳ仿真数据，以考核安控器的功能。
设定一个由矢量航线按顺时针方向组成的封闭凸边形，组 成判定区域。若无人机当前位置位于所有矢量航线的右侧时， 无人机在判定区域内；若无人机当前位置只要位于一条矢量航 线左侧，则无人机在判定区域外。
在实际应用中，使用的是图２所示的判定区域，称为安全
区域。它由二个封闭凸边形组成：一个不超过８个边的凸边形 及其径向内沿１０ｋｍ的凸边形组成。内凸边形称为安控预警 线，外凸边形称为安控警戒线。在后面的章节中将讨论安全区 域的应用策略。 １．２ 系统组成
（３）执行第１．１节所述的安控判定算法，并通过一定的策 略执行安控。
（４）实时向仿真数据处理单片机回传安控执行结果。 ２．３．２程序流程
安控器仿真监控串口通过数据线或数传电台与地面监测微 机通信时，主控单片机通过查询判断采用真实ＧＰＳ数据还是 地面监测微机发送的仿真ＧＰＳ数据。其中，仿真ＧＰＳ数据优 先于真实ＧＰＳ数据。
１ 系统方案设计
１．１安控判定算法
设（ｚ。，弘）、（ｚ一，汕）为矢量航线两端点坐标，（ｚ，ｙ）
为无人机当前坐标，如图１所示。则有如下公式‘“：
航线长度：Ｌ一￣／６■ｉｉ尹干弋瓦＝矿
（１）
两常数：＾·一丝亡丝，＾ｚ一生亡生
（２）
倾４偏距：△ｙ一女ｌ（ｚ—ｚ。）一＾２（３，一ｙ。）
（３）
若侧偏距为负，无人机位于航线的左侧；若侧偏距为正， 无人机位于航线右侧。
仿真数据处理电路由仿真数据处理单片机ＡＴ８９Ｃ４０５１和
ＭＡＸ２０２Ｅ组成，主要完成地面监控微机与机载安控器通信。
具体来讲，包括以下内容：
（１）通过仿真监控口接收地面监控微机发送的ＧＰＳ动态
仿真数据；
“
（２）对ＧＰＳ仿真数据进行提取处理和帧格式转换，响应
万方数据
主控单片机的中断请求，发送处理数据至并行数据总线； （３）响应主控单片机的中断请求，接收并行数据总线的主
２机载安控器设计
机载安控器是飞行安全控制系统的主体。安控器电路主要
由ＧＰＳ数据处理电路、仿真数据处理电路、主控单片机电路
和执行电路组成。前三者构成微处理器组［ｚ］，协同完成安控判 断和决策任务。
２．１ ＧＰＳ数据处理电路
ＧＰＳ数据处理电路由ＧＰＳ接收机和ＧＰＳ数据处理单片机
ＡＴ８９Ｃ４０５１组成。ＧＰＳ接收机采用Ｇａｒｍｉｎ公司的ＧＰＳ２５ＬＰ
无人机飞行安全控制系统包括三部分：机载安控器、数
ｙ—３０；修回日期：２００６一ｌＯ一１４。 基金项目：国防军工技改项目。 作者简介：严平（１９７９一），男，陕西韩城人，硕士，主要从事数字信 号处理系统方向的研究。 陈颖（１９７９一），男，湖北武汉人，硕士，主要从事机电自动控制系 统方向的研究。
高动态性能接收机［３］。使用了３条输出语句：ＧＰＲＭＣ、ＧＰＧ—
ＧＡ和ＧＰＶＴＧ，得到无人机必要的飞行信息。
ＧＰｓ接收机以ＵＡＲＴ串行输出数据至ＧＰＳ数据处理单片
机ＡＴ８９Ｃ４０５ｌ，ＡＴ８９Ｃ４０５１对ＧＰｓ数据进行信息提取处理和
帧格式转换，响应主控单片机的中断请求，发送处理后的数据
至并行数据总线。 ２．２仿真数据处理电路
０ 引言
某型无人靶机是一种高亚音速大型无人机。该无人机依靠 地面遥控站领航，因而在遥控系统发生故障等不受控情况下， 无人机有可能飞出安全区域，从而威胁到一些重大城市和可能 飞出国境。
为避免无人机飞出安全区域，将损失和影响降低到最低， 设计了一种无人机飞行安全控制系统。该系统通过机载安控器 的ＧＰＳ接收机确定无人机位置，根据位置判断无人机是否在 安全区域内。如果飞出安全区域，则执行安控指令，断开无人 机舵机离合器电源，使无人机自行坠毁在安全区域边沿。由于 无人机对系统执行安控的可靠性要求较高，尤其是在正常情况 下绝不允许出现执行安控使无人机坠毁的情况，故对系统软硬 件进行了合理设计，并采取了多种可靠性策略。
为了确保机载安控器正确实施判断，在软件上采取了如下 几项策略：
（１）推迟安全区域判断启动时间。设定ＧＰＳ接收机形成 动态定位后２５０ｓ才启动安全区域判断，保证系统在离起飞点 ６０ｋｍ的范围不执行安控。
（２）双判定区域。机载安控器先后判断无人机是否飞出预
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ｃｈｌｎａｍＣａ．Ｃ０ｍ
· ９０４ ·
３地面监测软件设计
地面监测软件采用ＶＣ６．ｏ编写，主要实现以下功能： （１）安全区域装订：通过装订串口向安控器装订安全区域 数据，显示装订的安全区域； （２）飞行仿真：通过数据线或数传电台与安控器的仿真监
到了实际应用要求。
５ 结论
本文介绍的是应用于无人机关键部位的一种低成本解决方 案，具有的主要特点有：使用多片微处理器协同完成一个复杂 任务；采用了谨密科学的安控策略和执行方案；利用数传电台 实时回传安控执行情况。试验结果表明，无人机飞行安全控制 系统的安控执行策略合理，逻辑关系完备，说明系统设计是有 效和可靠的。本系统采用的设计思路和系统架构对于无人飞行 器的可靠性设计具有较高的参考价值。
（４）定时“喂狗”。在程序出错时ｘ５０４５能使主 控单片机正常复位至程序起始地址。 ２．４安控执行电路
（。）预警线内
＜ｂ）预警线和警戒线之间 图５地面监控软件结果
（ｃ）警戒线外
两个光耦和大功率ＭＯＳ管ＩＲＦ９５４０构成安控器 的执行电路。考虑到系统对安控执行可靠性要求高的特点，执 行电路采取了双冗余度设计ｎ］，通过微处理器的两个Ｉ／０口分 别进行控制，只有两路执行电路都工作才能断开舵机离合器电 源。
文章编号：１６７１—４５９８（２００７）０７—０９０２一０３
中圈分类号：ＴＰ２７３；Ｖ２７９
文献标识码：Ａ
无人机飞行安全控制系统的设计与实现
严 平１，陈 颖２，陈 曦１
（１．９２４１９部队，辽宁兴城 １２５１０６；２．海军驻上海７１１所军代室，上海２０００２０）
摘要：为了确保无人机在不受遥控的状态下安全坠毁，设计了无人机飞行安全控制系统｝系统通过计算ＧＰｓ数据来判断无人机是 否超出安全区域．进而控制舵机离合器电源以实现安全控制功能；使用了多片微处理器协同完成安控任务，设计了高效的硬件电路｝采 用了科学的判断算法和软件策略，保证系统执行的安全性｝利用数传电台回传执行结果，实现了地面实时监控；实际应用表明，这种无 人机飞行安全控制系统是有效和可靠的，能够满足无人机系统安全控制的需要。
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图３无人机飞行安全控制系统组成
传电台和地面监控微机，如图３所示。实际应用中，机载安控 器和机载数传电台装配于无入机机体。 １．３工作原理
飞行安全控制系统是一种依靠ＧＰＳ来判断无人机是否超 出安全区域，进而决定是否使无人机坠毁的控制系统。
机载安控器在空中可以不依赖系统其它部分独立完成安控 功能，称为自主安控。机载安控器的微处理器根据ＧＰＳ接收 机输出的无人机飞行数据判断无人机是否飞出安全区域。当飞 出安全区域时，安控器执行安全控制，断开舵机离合器供电线 路，升降舵处于最大正舵面，无人机在空气动力的作用下，处 于失速状态，快速坠毁。
警线和警戒线。无人机连续飞出安控预警线后３０ｓ
（这是无人机飞行１０ｋｍ航程的最少时间），才开始判
断是否飞出警戒线；并随后连续１０次超出警戒线才
执行安控，否则清空所有报警标志重新判断。
（３）ＧＰＳ定位数据正确性验证。根据实际定位
数据平滑性特点，前后两秒内位置差值不超过
３００ｍ；速度值应在２０～３００ｍ／ｓ。
关键词：飞行安全控制系统；无人机；ＧＰｓ；可靠性设计
Ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ Ｉｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎ ｏｆ Ｆｌｉｇｈｔ Ｓａｆｅｔｙ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｓｙｓｔｅｍ ｆｏｒ ＵＡＶ
Ｙａｎ Ｐｉｎ９１，Ｃｈｅｎ Ｙｉｎ９２，Ｃｈｅｎ Ｘｉｌ （１．９２４１９ Ｕｎｉｔ ｏｆ ＰＬＡ Ｃｈｉｎａ，Ｘｉｎｇｃｈｅｎｇ １２５１０６，Ｃｈｉｎａ； ２．Ｎａｖｙ Ｃｏｍｍｉｓｓａｒｙ ０ｆｆｉｃｅ ｏｆ Ｓｈａｎｇｈａｉ ７ １ｌ Ａｃａｄｅｍｙ，Ｓｈａｎｇｈａｉ ２０００２０，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔ髓ｃｔ：Ａ ｆｌｉｇｈｔ ｓａｆｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ ｆｏｒ ＵＡＶ ｉｓ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ，ｔｏ ｐｒａｎｇ ＵＡＶ ｒｅｌｉａｂｌｙ ａｎｄ ｓａｆｅｌｙ ｗｈｅｎ ｉｔ ｉｓ ｎｏｔ ｕｎｄｅｒ ｔｈｅ ｒｅｍｏｔｅ ｃｏｎ— ｔｒ０１． Ａｐｐｌｙｉｎｇ ＧＰＳ ｄａｔａ ｔｏ ｃａｌｃｕｌａｔｅ ｗｈｅｔｈｅｒ ＵＡＶ ｓｕｒｐａｓｓｅｓ ｔｈｅ ｓａｆｅｔｙ ｚｏｎｅ，ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｃａｎ ｃｏｎｔｒｏｌ ｔｈｅ ｒｕｄｄｅｒ ｃｌｕｔｃｈ ｐｏｗｅｒ ｓｕｐｐｌｙ ｔｏ ｉｍ— ｐｌｅｍｅｎｔ ｔｈｅ ｓａｆｅｔｙ ｃｏｎｔｒｏｌ ｆｕｎｃｔｉｏｎ． Ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｉｓ ｖｅｒｉｆｉｅｄ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ ａｎｄ ｒｅＩｉａｂＩｅ ｔｈｒｏｕｇｈ ｐｒａｃｔｉｃａｌ ａｐｐｌｌｃａｔｉｏｎ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｆｌｉｇｈｔ ｓａｆｅｔｙ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ；ＵＡＶ；ＧＰＳＩ ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ ｄｅｓｉｇｎ
计算机测量与控制
器进行安全区域装订。 表１装订区域
序号
Ｏ １ ２ ３ ４ ５
经度
１２０．５９８３９６ １２０．５１３９３１ １２１．１９８７３０ １２０．７３８９９８ １２０．２１３５１６ １２０．３２５５６２
纬度
４０．５４９６１４ ４０．７８８８８３ ４０．６２３５５４ ４０．２１９８９８ ４０．４２５６０２ ４０．７２１７７１
中．华测控网
ＣｎｌｎａｍＣａ．ＣＯｍ
万方数据
预警线 警戒线
图２安全区域
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控单片机解算数据； （４）通过仿真监控口将鳃算数据发送至地面监控微机。
２．３主控单片机电路 ２．３．１功能
主控单片机电路由主控单片机ＡＴ８９Ｃ５２和看门狗芯片 Ｘ５０４５组成。主要功能包括：
（１）通过装订串口与地面监测微机连接，接收地面检测软 件发送的安全区域点数据，并存储在Ｅ２ ＰＲＯＭ中。
（２）以循环方式先后向仿真数据处理单片机和ＧＰＳ数据 处理单片机发送中断触发信号，并决定是采用地面监控微机发 送的ＧＰＳ仿真数据还是ＧＰｓ接收机输出的真实数据。
第１５卷
图４主控ＣＰｕ程序流程框图
将机载安控器进行动态距离试验，地面监测软件结果如图 ５所示。图中的两个凸多边形区域即为装订的安全区域。当安 控器在预警线内，软件显示安全状态；在预警线和警戒线之 间，软件显示告警状态；在警戒线之外报警１０次后，安控器 执行安控，舵机离合器电源断开。
在某型某次无人机供靶试验中，因遥控接收机故障出现了 无人机不受控的危险情况，安控系统正确执行安控，使无人机 成功坠毁于警戒线外围附近，表明无人机飞行安全控制系统达