飛行器制導控制綜合教學實驗平臺設計與實踐

王 偉，陳柏霖，陳 棟，王正平，趙良玉

（1.北京理工大學宇航學院，北京 100081；2.陸軍炮兵防空兵學院高過載彈藥制導控制與信息感知實驗室，合肥 230031）

0 引言

飛行器制導控制綜合教學實驗是我校本著新時代高效育人，重在培養高素質綜合性拔尖創新人才［1-3］等目標，而面向宇航學院的本科生及研究生開設的一門實驗課程。對應飛行器設計、探測制導與控制、航天工程等多門專業課，為專業課提供理論與實驗教學的幫助。為了使實驗課與理論課進程同步、保證學生的學習效果，該實驗課年均課程實驗環節90 學時，年均可接納課程實驗教學人數300 人次。飛行器制導控制綜合實驗教學平臺積極培養航空航天類專業學生實驗和實踐環節的能力，將國內外重大項目管理方法用于實驗課程訓練［4］。以自制無人飛行器制導控制嵌入式一體化實驗儀為教學案例，實驗儀器的建成為學生的設計能力、創新能力的提高創造了條件。采用“六模塊×七環節”即“前沿、樣機、軌跡、制導、性能、控制”ד功能原理、任務設計、硬件設計、軟件設計、系統聯調、仿真驗證、總結分析”的實驗教學模式［5-6］，強化學生對實驗工作的認知，全面提高學生的實驗能力、創新能力［7-8］。

同時該項目將高水平的實驗成果和學生創新實踐需求高度融合，形成的成果又能進一步推動實踐教學工作，并且具有一定的技術基礎，能夠較好地將科研成果轉化為實驗教學［9-10］。

1 制導控制教學方案設計

1.1 實驗課程涉及的相關知識點

結合飛行器制導控制綜合平臺的教學用途，學生通過該仿真實驗可以了解及掌握的知識點有：①航空航天類典型無人飛行器的地位及其國內外最新研究進展；②高動態旋轉飛行器、無人飛行器的系統設計方法、飛行原理、基本構成、各部分性能；③高動態旋轉飛行器、無人飛行器的制導控制系統的設計原理和分析設計方法［10-11］；④飛行器載多種敏感傳感器和模塊（如衛星、無線傳輸、陀螺和加速度計、舵機）等的功能與應用［12］；⑤高動態旋轉飛行器、無人飛行器制導控制計算機的功能分解與硬件設計；⑥高動態旋轉飛行器、無人飛行器制導控制系統的軟件設計與流程設計；⑦高動態旋轉飛行器、無人飛行器系統的功能測試和半實物仿真試驗；⑧高動態旋轉飛行器、無人飛行器飛行軌跡的個性化設計和提升優化；⑨高動態旋轉飛行器、無人飛行器飛行性能和精度的分析和評估；⑩高動態旋轉飛行器、無人飛行器與其他無人系統如無人車、無人船系統的組網和協同。

1.2 培養目標

培養學生理論和實際相結合的能力，團結、協作和創新能力：①通過學習和查詢最新和前沿知識設計無人飛行器和高水平飛控系統的能力；②進行總體任務分解和系統與分系統方案設計、具有仿真分析的能力；③完成系統功能和分系統性能指標論證和實驗驗證方案的能力；④協同完成飛行器各分部件原理樣機具體軟硬件設計、流程設計的能力；⑤協同完成飛行器系統原理樣機具體相應控制算法的能力；⑥協同完成飛行器各分部件功能測試、系統聯調、半實物仿真等的能力；⑦完成飛行器系統根據具體任務完成飛行軌跡的設計能力；⑧完成飛行器系統根據具體任務完成飛行性能和精度分析和評估的能力；⑨完成飛行器系統設計總結、成果和缺點不足總結的能力。

2 實驗教學系統方案

2.1 實驗步驟

實驗步驟包括7 個環節（42 個實驗操作步驟）：①高動態飛行器復合制導模式的系統功能分解、制導控制原理框架圖設計；②在了解當前高動態飛行器前沿技術的基礎上進行飛控系統任務分解、設計、飛控設計框圖、飛控系統數學仿真結構框圖、姿態測量算法設計；③飛控系統模塊化、嵌入式、一體化硬件設計和調試；④飛控系統軟件流程設計、輸入輸出框架設計、具體軟件模塊組成設計等；⑤飛行器系統聯調、地面靜態試驗、指標驗證；⑥飛行器半實物仿真、飛行軌跡和效果評估驗證；⑦進行飛行器數據分析、精度、影響評估和實驗報告總結［13-14］。系統流程框圖如圖1 所示。

圖1 飛行器復合制導模式的系統流程

2.2 功能原理

飛行器復合制導［15］模式的系統功能分解、制導控制原理框架圖設計如圖2 所示。

圖2 飛行器復合制導模式的系統功能模塊

2.3 任務設計

飛行器控制系統任務分解、設計，及各部分數學仿真結構框圖設計如圖3 所示。

圖3 控制系統數學仿真結構

3 自制實驗教學裝置概況與設計

3.1 實驗教學裝置概況

團隊依托武器系統國家級虛擬仿真中心、北京市航空航天教學實驗中心、機電控制教學實驗中心完成了無人飛行器制導控制嵌入式一體化實驗裝置的設計和教學應用。該無人系統嵌入式一體化測控系統是一款綜合性新型實驗箱，具有使用方便、靈活、上手快、性價比高功能齊全等特點，該實驗箱不僅適用于通信、自動化、測控、工業控制和電力控制等領域，還適用于科學研究、畢業設計、電子競賽、產品開發。

3.2 原理圖

實驗裝置由MCU 模塊、觸摸顯示模塊、波形采集模塊、4 ×4 矩陣模塊、GPS 模塊、陀螺加速度計模塊、直流電動機、舵機、步進電動機等組成，其原理圖如圖4 所示。

圖4 實驗教學裝置原理圖

3.3 硬件設計

經過硬件模塊化、一體化設計和工藝化改進后的自制實驗教學裝置的產品，如圖5 所示。

圖5 自制實驗教學裝置

該實驗儀為無人飛行器制導控制嵌入式一體化實驗儀，同時配有相關的使用說明書、實驗說明書等自制教材。擺脫了傳統教學儀器體積大、設備復雜等缺點，實現了專業性、實用性、經濟性的兼顧，起到了良好的教學效果。

4 教學內容與支撐軟件

仿真實驗實踐教學有利于拓寬學生的學習思路，提高教學效果，也是當前實驗教學的必備內容之一。

針對飛行器制導控制綜合實驗課程進行了軟件組成框圖、流程圖等設計。將虛擬仿真實驗軟件嵌入實驗儀中，做到虛實結合，達到了綜合教學的目的。

4.1 軟件組成框圖

飛行器制導控制綜合實驗軟件組成的框圖如圖6所示。

圖6 軟件組成框圖

4.2 軟件流程圖

飛行器制導控制綜合實驗軟件的工作流程框圖如圖7 所示。

圖7 軟件流程圖

4.3 虛擬仿真實驗界面

學生通過該實驗可以了解航空航天與兵器概論課程的授課內容及課程大綱，了解本實驗項目在該課程中的地位和作用，了解遠程多管火箭武器系統的國內外最新研究進展。通過360°旋轉了解遠程多管火箭炮的組成及相關參數及火箭彈的整體結構和內部構造，并通過三維模型的解剖視圖了解火箭彈各組成部分的內部結構，同時學習和了解各組成部分的功能。部分虛擬仿真實驗界面如圖8 所示。

圖8 部分虛擬仿真實驗界面

4.4 系統聯調

對飛行軌跡和地面聯試進行了實驗驗證，通過加入阻尼回路對飛行器的姿態角進行調節，如圖9 所示，可以明顯看出飛行器姿態角擺動幅度變小，同時過濾噪聲，使飛行器姿態角的擺動穩定在2°之內，提高了飛行器的穩定性。

圖9 加入阻尼回路的飛行器姿態

由圖10 所示的飛行器制導控制實驗結果可見，采用本技術的飛行器俯仰角和偏航角明顯收斂更快、誤差更低，并且能夠將誤差控制在2°之內，提高了飛行器的穩定性。

圖10 加入阻尼回路前后的飛行器姿態比較

5 教學實驗成果

該教學實驗平臺在飛行器制導控制教學設計與實踐的過程中，積累了諸多理論知識及教學方法。已發表發明專利1 項“飛行器制導與控制實驗儀器”，軟件著作權2 項“飛行器制導控制實驗儀姿態顯示軟件v1.0”“飛行器制導控制實驗儀監控程序軟件v1.0”及教改類論文7 篇，具有代表性的是以第一作者發表的有飛行器測試技術之課程拓展、飛行器制導控制關鍵技術之課程拓展［6］、航空航天專業實驗教學體系探索、研究生創新能力培養探索［5］等一系列成果。

6 結語

針對航空航天類專業的本科生高年級及研究生，以專業課程建設為基礎設計了飛行器制導控制綜合教學實驗平臺。兩學年的新型實驗課程的教學實踐表明，學生的團隊協作能力、綜合學習能力、創新設計能力、整體綜合成績均有顯著提高。并且經過該課程培訓的學生多次獲得國家電子設計競賽一等獎、北京市電子競賽一等獎和國際阿布扎比無人機比賽金獎等，同時該無人飛行器制導控制嵌入式一體化實驗儀在第六屆全國高等學校教師自制實驗教學儀器設備創新大賽上榮獲二等獎。學生參加國際高水平無人飛行器比賽350 人次，創新能力得到全面提高，同時深度參與多項國際項目科研和學術交流活動等。為培養航空航天類綜合創新能力的拔尖人才和骨干力量提供了理論和教學實驗平臺的支撐。