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應(yīng)用領(lǐng)域：
航空研究
使用的產(chǎn)品：
CompactRIO, LabVIEW
挑戰(zhàn)：
開發(fā)一個有自動飛行功能的直升機(jī)平臺，作為大學(xué)控制和導(dǎo)航研究之用。
應(yīng)用方案：
使用 NI LabVIEW和CompactRIO平臺作為飛行計(jì)算機(jī)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。在波羅尼亞大學(xué)航空航天學(xué)院，我們開發(fā)了無人駕駛的旋翼飛行器作為無人飛行控制
和導(dǎo)航研究的測試機(jī)。
人們對無人飛行器在軍事領(lǐng)域的濃厚興趣催生了私營企業(yè)研發(fā)無人飛行器的雄心。可想而知，無人駕駛飛行器在民用領(lǐng)域是一個值得期待的低成本選擇。相比傳統(tǒng)的飛行器，無人飛行器在人員安全，運(yùn)作成本以及工作效率方面具有巨大的優(yōu)勢。無人飛行器以及旋翼無人飛行器的研究在美國已經(jīng)相當(dāng)發(fā)達(dá)，但是在歐洲才是剛剛起步。歐盟因此資助了CAPECON，一個無人飛機(jī)的研究項(xiàng)目以啟動歐洲民用無人飛行器工業(yè)的發(fā)展。在波羅尼亞大學(xué)，最近正在進(jìn)行固定機(jī)翼無人飛行器系統(tǒng)的開發(fā)和制造，我們非常希望參加 CAPECON項(xiàng)目。
除此之外，波羅尼亞大學(xué)也開始了旋翼無人飛行器的研究項(xiàng)目，顯然旋翼無人飛行器在很多民用場合優(yōu)于固定機(jī)翼，因?yàn)樗`活的飛行模式和機(jī)動性，并且具有垂直起飛和降落的能力。這個旋翼無人飛行器項(xiàng)目的主要目的是為控制和導(dǎo)航研究開發(fā)一個具備直升機(jī)功能的自動飛行器。
硬件和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)：
我們開發(fā)了兩個模型的直升機(jī)平臺，每個都有5.5kg的有效載荷。自動飛行需要航空電子系統(tǒng)來
使它們保持穩(wěn)定的高度并依照設(shè)計(jì)的軌跡飛行。這樣的航空電子系統(tǒng)由傳感器，計(jì)算機(jī)，數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備組成由軟件來指示，導(dǎo)航，控制飛行器。這些組成部分對直升機(jī)是相當(dāng)關(guān)鍵的，然而這些系統(tǒng)本身都不相當(dāng)穩(wěn)定的。因此我們決定選用NI的CompactRIO平臺。
我們改進(jìn)了Hirobo 60 和Graupner 90 業(yè)余直升機(jī)，使用裝載航空電子設(shè)備。NI CompactRIO作為飛行計(jì)算機(jī)工作，CompactRIO FPGA采集傳感器信息，根據(jù)控制算法產(chǎn)生PWM激勵信號。CompactRIO實(shí)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)，同時管理和地面控制臺之間的無線以太網(wǎng)通信。CompactRIO FPGA通過 NI cRIO-9411數(shù)字輸入模塊接收信號，通過cRIO-9474 數(shù)字輸出模塊產(chǎn)生PWM激勵信號。系統(tǒng)通過模擬輸入模塊cRIO-9201 采集各種狀態(tài)參數(shù)比如電池電壓。
整個系統(tǒng)總重為5kg——正好在我們的小型直升機(jī)有效載荷之內(nèi)。如果有更大的直升機(jī)平臺，一個或更多的NI CompactRIO模塊可以作為備用系統(tǒng)。
軟件
旋翼無人飛行器系統(tǒng)具有典型的CompactRIO應(yīng)用設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)。其中的FPGA代碼用了4個不同的定時讀寫循環(huán)和一個PID控制循環(huán)來控制直升機(jī)的高度。PID循環(huán)速率接近50Hz，寫循環(huán)發(fā)送PWM指令給直升機(jī)的伺服馬達(dá)和攝像機(jī)的穩(wěn)定裝置。第一個讀循環(huán)讀取直升機(jī)的高度，角速度，速度，并從Crossbow NAV420 通過 RS232 讀取GPS 位置信息。使用FPGA的數(shù)字輸入實(shí)現(xiàn)RS232 協(xié)議以保證數(shù)據(jù)讀取的確定性，這樣的確定性用實(shí)時系統(tǒng)是無法實(shí)現(xiàn)的。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，并利用LabVIEW Real-Time 通信開發(fā)向?qū)ч_發(fā)和地面控制臺的無線以太網(wǎng)通信。在地面控制臺，我們使用筆記本電腦用LabVIEW開發(fā)了運(yùn)行在WindowsXP上的地面控制程序。程序有兩個窗口，一個是座艙儀表，另一個是遙測數(shù)據(jù)實(shí)時顯示。
結(jié)論
NI的 CompactRIO在這個項(xiàng)目的開發(fā)中起了至關(guān)重要的作用，它的易用性，可靠性以及可編程性對直升機(jī)的控制已經(jīng)足夠。在不久的將來，我們計(jì)劃集成更多的傳感器（比如聲納高度表）到這套航空電子系統(tǒng)中，對更為復(fù)雜的飛行模式進(jìn)行測試，并且完成導(dǎo)航算法，最終實(shí)現(xiàn)智能的自主飛行。
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