摘要：嵌入式系統(tǒng)具有實時性好、可靠性高、體積小和功耗低等優(yōu)勢，將該技術引入新型航空拖靶高度控制器的設計，可顯著提高其綜合性能?；?strong>ARM7微處理器和μC／OS-Ⅱ嵌入式實時操作系統(tǒng)開發(fā)了航空拖靶高度控制器，主要介紹了控制器的組成、原理和軟硬件設計過程。原理樣機的半實物仿真結(jié)果表明系統(tǒng)響應快、控制精度高，能夠準確控制拖靶做超低空掠海定高飛行，達到了設計要求，控高精度可達2m。
關鍵詞：航空拖靶；嵌入式系統(tǒng)；ARM；μC／OS-Ⅱ；高度控制器

0 引言
    航空拖靶是一種由飛機拖曳飛行的特殊的無人飛行器，一套完整的拖靶系統(tǒng)主要包括拖帶飛機、收放纜裝置、拖纜和拖靶。其中拖帶飛機一般為有人或無人駕駛飛機，收放纜裝置一般為掛裝在飛機上的電動或氣動式絞車，拖纜是通過絞車收放的一根長約幾千米而直徑只有幾毫米的鋼纜，拖靶多為外形類似導彈的無動力飛行器，由拖纜牽引飛行。主要用途是模擬敵方來襲的導彈類目標，為己方對空導彈、火炮等防空武器系統(tǒng)試驗或訓練提供模擬目標。
    隨著技術的進步，現(xiàn)代反艦導彈多采取“超低空掠海飛行”的突防方式。與之相應，20世紀80年代以來，用于模擬反艦導彈類目標的航空拖靶，也向著這一方向快速發(fā)展。而這類拖靶都要裝有高度控制器，才能實現(xiàn)模擬導彈的超低空掠海定高飛行能力。其中，高度控制器是核心設備，控制精度、實時性和可靠性都有較高要求。同時，伴隨著計算機技術的快速發(fā)展，以應用為中心的“嵌入式系統(tǒng)”以其實時性好、可靠性高、體積小、重量輕、成本低和軟硬件可裁減等優(yōu)勢，正在被廣泛應用于各個領域。因此，考慮到拖靶高度控制器的設計要求與嵌入式系統(tǒng)的應用場合非常符合，本文基于ARM7嵌入式微處理器和μC／OS-Ⅱ嵌入式實時操作系統(tǒng)，設計開發(fā)了航空拖靶的高度控制器。

1 控制器組成和工作原理
    高度控制器主要由無線電高度表、垂向線加速度計、控制律解算主板、舵機驅(qū)動控制板及舵機組成，其中加速度計、控制律解算主板和舵機控制板集成在一個高度控制計算機盒內(nèi)，其組成如圖1所示。

    高度控制計算機是系統(tǒng)的中樞，它接收無線電高度表信號和加速度計信號?？刂坡山馑阒靼迨紫葘@2路信號進行抗混頻濾波和電平轉(zhuǎn)換等前置處理后送入A／D通道，再進行控制律解算，給出升降翼偏角的PWM控制信號至舵機驅(qū)動控制板，經(jīng)舵機驅(qū)動控制板放大輸出驅(qū)動舵機，舵機驅(qū)動升降翼來調(diào)整拖靶的飛行高度。系統(tǒng)每20 ms進行一次控制律解算。工作原理框圖如圖2所示。

2 控制器軟硬件設計
    高度控制器的設計主要包括3個部分的內(nèi)容：高度控制計算機控制律解算主板的設計、高度控制計算機舵機驅(qū)動控制板的設計、傳感器與執(zhí)行機構(gòu)的選型及配置設計。其中，控制律解算主板是整個系統(tǒng)的核心，因此，全系統(tǒng)的設計也是圍繞這個核心進行的。
2．1 控制律解算主板
    (1)硬件設計。高度控制律解算板主要功能是在收到開高控指令時，對接收到的無線電高度表信號和采集到的加速度計信號以及設定的飛行高度值按照控制律實時解算出升降翼偏轉(zhuǎn)角(周期為20 ms)，并變換成相應的PWM占空比送給舵機驅(qū)動控制板實現(xiàn)對升降翼偏轉(zhuǎn)角控制；同時還具有裝定拖靶定高飛行高度值、對無線電高度表輸出進行調(diào)零、對加速度計輸出進行調(diào)零和比例調(diào)整、對升降翼偏轉(zhuǎn)角進行調(diào)零和比例調(diào)整、接收遙控遙測分系統(tǒng)開／關高控指令和向其實時傳送拖靶狀態(tài)參數(shù)等功能?？刂坡山馑阒靼宀捎没贏RM7的嵌入式微處理器設計。高度控制律解算板的原理框圖如圖3所示。

    這里所選用的中央處理器是ARM7TDMI-S體系結(jié)構(gòu)的32位微處理器芯片LPC2124。該處理器集成有16 KB的內(nèi)部RAM和128 KB的內(nèi)部FLASH存儲器，這些資源能夠滿足μC／OS-Ⅱ嵌入式實時操作系統(tǒng)的運行要求。除此之外還集成有2路UART串口、4路10位A／D轉(zhuǎn)換器、1個I2C接口、2個SPI接口、6路PWM輸出以及多路通用I／O口，分別用于與地面調(diào)參器通信進行高度裝定及其他參數(shù)的校正、與雷達高度表通信以獲取高度值、對加速度計輸出進行AD采樣、與小容量的E2PROM芯片進行數(shù)據(jù)讀／寫以修改和保存設置的參數(shù)、控制舵機工作等功能。選用該芯片可以極大地簡化外圍電路的設計，縮小電路板尺寸，提高系統(tǒng)運行的可靠性。
    (2)軟件設計。高度控制律解算板中的應用程序是運行在嵌入式實時操作系統(tǒng)μC／OS-Ⅱ下，該系統(tǒng)具有可移植、裁剪、源代碼公開、多任務和基于優(yōu)先級的搶占式任務調(diào)度等特點，實時性好，可靠性高。應用程序分解為任務優(yōu)先級不同的6個任務，每個任務都是一個無限循環(huán)程序，任務間通過信號量、郵箱或者其他事件來傳遞。按任務優(yōu)先級依次遞減分別是主任務(目標板初始化和建立其他任務，任務優(yōu)先級最高)、串口0接收數(shù)據(jù)任務、串口1接收數(shù)據(jù)任務、執(zhí)行定高指令任務、慢速數(shù)據(jù)采樣任務、串口0發(fā)送數(shù)據(jù)任務。
    應用程序首先運行主任務(見圖4)，在執(zhí)行延時20 ms等待操作時操作系統(tǒng)自動執(zhí)行較低任務優(yōu)先級的任務，在這里即為串口0接收數(shù)據(jù)任務，這個任務的功能是接收遙控／遙測分系統(tǒng)發(fā)送來的指令數(shù)據(jù)或者是調(diào)參器發(fā)送來的其他指令，當接收到開高控指令時則設置開高控標志位，在沒有繼續(xù)收到數(shù)據(jù)時則執(zhí)行較低任務優(yōu)先級的任務，即串口1接收數(shù)據(jù)任務，這是接收無線電高度表發(fā)送來的高度值并更新相應的高度全局變量。執(zhí)行定高指令任務(見圖5)是由主任務通過發(fā)送開高控信號量來啟動的，當串口0接收數(shù)據(jù)任務設置了開高控標志位后，主任務便每間隔20 ms啟動一次執(zhí)行定高指令任務，利用上次的解算結(jié)果及當前的垂向加速度值和高度值進行控制律解算，得出升降翼偏轉(zhuǎn)角并換算為相應的PWM占空比送給舵機驅(qū)動板控制舵機的偏轉(zhuǎn)。慢速數(shù)據(jù)采樣任務是1 Hz的速率采集靶載蓄電池的電壓、加速度以及無線電高度表等值并更新相應的全局變量。串口0發(fā)送任務是以5 Hz的速率向遙控遙測板發(fā)送拖靶的參數(shù)值，包括靶載蓄電池電壓、加速度值、無線電高度表值、設定高度值以及解算出的舵偏角值等。下面給出的是主任務程序框圖和執(zhí)行定高指令任務程序框圖。

2．2 舵機驅(qū)動控制板
    舵機驅(qū)動控制板和電動舵機以及位置反饋電位計構(gòu)成了拖靶的舵機系統(tǒng)。舵機系統(tǒng)采用雙閉環(huán)即電流環(huán)和位置環(huán)的控制結(jié)構(gòu)。電流環(huán)作為內(nèi)環(huán)，用于抑制轉(zhuǎn)矩和電流的波動，減小功放死區(qū)，提高線性度。位置環(huán)是舵機系統(tǒng)的主回路，目的是保證較好的位置控制精度。由于拖靶自身的穩(wěn)定性較好，故舵回路不采用速度環(huán)，而引入適當?shù)奈⒎制鳎愿纳葡到y(tǒng)阻尼，提高系統(tǒng)剛度，減小各種非線性因素的影響。舵機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖6所示。

    舵機驅(qū)動控制板包含采用模擬電路實現(xiàn)的位置調(diào)節(jié)器、電流調(diào)節(jié)器、PWM功放和反饋校正網(wǎng)絡。考慮到舵機系統(tǒng)的響應速度，位置調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器均采用簡單的比例式調(diào)節(jié)規(guī)律，由模擬集成運放AD822AN實現(xiàn)。位置反饋是舵機系統(tǒng)的主反饋，升降翼面的定位精度主要取決于位置傳感器的精度。標準電阻是小功率系統(tǒng)中常用的一種電流傳感器，因其簡單可靠、阻值穩(wěn)定、精度高、頻響好、輸出標準電壓直接比例于所通過的電流，因而在PWM系統(tǒng)中得到了廣泛應用，故采用標準取樣電阻作電流傳感器。舵機驅(qū)動控制板圍繞直流電機驅(qū)動器專用集成電路L292設計了其外圍電路，L292是一種PWM直流電機驅(qū)動器專用集成電路。與線性功放相比，PWM功放具有功耗低、效率高、工作穩(wěn)定可靠等優(yōu)點，尤其是它的動力潤滑作用，對減小舵機死區(qū)，改善靜態(tài)精度和低速爬行非常有利。它的驅(qū)動能力強，可達2A／36V，集成度高，開關頻率可外部設定，片內(nèi)設有過載保護和欠壓保護等功能。
2．3 傳感器與舵機執(zhí)行機構(gòu)配置
    (1)無線電高度表。采用調(diào)頻／連續(xù)波(FM／CW)體制，工作頻率4 200～4 400 MHz，測高范圍0～300 m。高度輸出形式為232數(shù)字信號或模擬電壓輸出兩種格式，周期為20 ms。兩種輸出格式可通過發(fā)送指令進行選擇，這里使用的是精簡格式，一幀數(shù)據(jù)為4 B，前2 B和后2 B表示同一高度值，低位在前，高位在后。
    (2)加速度計。加速度計安裝在拖靶的重心位置，集成在高度控制計算機機盒內(nèi)，用于測量拖靶的垂直方向加速度，選用ADXL105AQC加速度計芯片，精度±1g～±5g，單通道模擬輸出，分辨率2 mg。工作電壓為單電源2．7～5．25 V，具有自檢功能，芯片自帶溫度傳感器模擬輸出，還帶有運算放大器，10 kHz的工作帶寬。

    (3)舵機及執(zhí)行機構(gòu)。包括力矩舵機、螺旋傳動機構(gòu)、搖臂和直滑式位移傳感器。舵機采用齒輪減速永磁直流力矩電機，額定轉(zhuǎn)矩0．3 nm，額定電流0．3 A，額定電壓27 V，額定轉(zhuǎn)速(80±8)r／min，空載轉(zhuǎn)速90 r／min。舵機以螺旋傳動方式來操縱舵面，同時靠搖臂帶動直滑式導電塑料位移傳感器反饋升降翼面偏轉(zhuǎn)角度。這里的位移傳感器選用直滑式精密導電塑料電位器做位置傳感器，其行程為3 cm，阻值為2 kΩ，獨立線性度為0．1％。

3 半實物仿真實驗及結(jié)果
    在自行開發(fā)的半實物仿真平臺上，對研制的拖靶高度控制器樣機進行了仿真驗證。拖靶飛行動力學和運動學模型、無線電高度表信號、加速度計信號通過計算機模擬，再接入高度控制計算機、舵機等實物構(gòu)成仿真回路。仿真步長為5 ms，仿真計算精度為64 b(雙精度浮點)。仿真結(jié)果如圖7～圖10所示，本文給出了4種主要干擾條件下的結(jié)果，拖靶裝訂基準高度為15 m。

    仿真結(jié)果表明，在垂風、母機高度偏差、拖靶初始高度偏差、四級海情產(chǎn)生高度表噪聲影響和加速度計測量誤差影響的情況下，系統(tǒng)能夠控制拖靶平穩(wěn)進入定高飛行狀態(tài)，受到干擾偏離基準高度后，高度控制器能進行快速修正，使拖靶能夠很快回到預定基準高度，并按精度要求保持在預定高度飛行，系統(tǒng)靜動態(tài)響應指標滿足設計要求，控高精度均可達2 m。

4 結(jié)語
    本文采用嵌入式技術設計的航空拖靶高度控制器，可控制拖靶實現(xiàn)超低空、高精度的掠海定高飛行，達到了設計目標。設計中以ARM7嵌入式微處理器為核心進行了硬件研制，并基于μC／OS-Ⅱ?qū)崟r嵌入式操作系統(tǒng)進行了應用軟件開發(fā)，將嵌入式技術及其優(yōu)點成功應用于該控制器的研制，取得了較好的效果。