【无人测控系统的构成及其设计4600字（论文）】

无人测控系统的构成及其设计目录TOC\o"1-2"\h\u11521无人测控系统的构成及其设计 129415摘要 113941绪论 1224711.1研究背景 1242781.2研究意义 2152812过程测控的发展状况 2190662.1.第一阶段 2316882.2.第二阶段 296832.3第三阶段 2104983航天测控无人系统 3107373.1测控系统的整体架构 372623.2无人靶机地面测控系统硬件 3264623.3航天测控软件功能架构 4229633.4航天测控软件操作 466923.5测控数据处理图 57732总结 624267参考文献 7摘要随着我国无人测控系统的迅速发展,航天测控自动化和数字化的应用技术已经在工业的中得到了普遍的使用,并促进了经济的快速发展。当前的无人测控系统不仅要有高效率的工作要求,还要有连续性和准确度较高的过程控制,为了今后航天测控的技术应用能够较好的满足生产要求。本文阐述了自动化测控系统的发展状况、组成成分和应用情况以及实例，来对无人测控系统进行介绍，希望能帮助这个技术在现代化测控系统得到持续的优化。关键词：自动、测控系统、工业1绪论研究背景在传统的测控系统中，地面操控者从指令数据库中调取指令通过无线电通讯来控制相关飞机飞行，与此同时，飞机将采集到的数据和自身状态信息反馈给地面操控者。飞行任务的成功与否完全取决于地面操控者与无人机之间持续不断的互动和通讯链的可靠性，但是在不确定的动态战场环境下，数据通讯的延时性和通讯带宽的约束性要求设计者们研发自主式飞机系统。自上世纪以来，随着微电子技术、传感技术、数字通信技术等的发展，一些在无人机技术发展道路上曾经难以逾越的障碍被逐个攻破。1.2研究意义当今世界的飞机在很大程度上还需要依赖人为控制或是预编程控制，现有的技术手段最多只能实现确定环境下的自主或半自主控制，而完全意义上的自主控制应该是在不确定环境下模拟人类的智能系统：五官感觉—大脑思维—四肢行动，映射到飞机系统即为机载传感器对环境进行感知—任务测控规划系统进行管理决策—机载执行机构触发相应动作，而这尚处于理论研究阶段。2过程测控的发展状况2.1.第一阶段最初的第一阶段的过程测控系统式以经典的控制理论当作基础，也即是用传递函数，用数学来叙述，对系统进行分析的基本方法为根轨道法和频率法。而通常的处理手段式，把一个比较复杂的过程拆分成几个简单的过程，然后再使用但输入、单输出的控制系统。测控的目标将重点放在维持整个生产过程的正常使用以及安全问题，要想实现这样的目的需要的是单个传感器、控制器以及执行器。在这一阶段的自动化水平还是处于水平比较低的阶段。2.2.第二阶段随着社会的发展过程已经大规模化，向着连续性方向开始发展，原先的简单测控的模式已经不能够符合现在的要求。此时的现代测控理论，更好的提供了理论基础。用状态空间法和最小二乘法为基础的系统识别，用极大值的原理和动态规划为基础的优化控制和用尔曼滤波理论做为中心的最优估计三部分。分析方法是从外部现象，再深入发现系统的内在规律，先做到局部的控制，再完成全面的最优的控制。直接数字控制与监督计算机控作为自动控制的工具也在当时出现了。2.3第三阶段大规模的集成电路和未处理器的产生让计算机的发展和应用大大的增高，在这样的背景下，研发出了具有可靠性以及灵活性的工业计算机，这是一种全新的工业测控工具。计算控制系统和集计算机技术、控制技术、统一技术、图片显示技术相结合的计算机系统给当时提供了无穷的便利。这个阶段的理论是控制理论与其他的学课相辅相成所形成的，第三代控制理论的主要内容就是大系统理论以及智能控制理论。3航天测控无人系统3.1测控系统的整体架构航天测控通常分为遥控型和遥控自主复合型。所谓遥控是指地面操纵人员在视距范围内操纵无人机起飞、飞行和着陆，而自主飞行则不需要人为的参与，飞机在飞控系统的控制下按规划好的航迹自主飞行。本文所述的属于具有半自主能力的遥控自主复合型无人机。飞机的飞行控制系统由两部分组成：机载飞控系统和地面测控系统。3.2无人靶机地面测控系统硬件无人靶机地面测控系统由数据电台及地面天线、操纵杆、发电机、1台测控计算机、2台终端显示计算机、1台外景监视计算机、1个USB视频采集卡、1个无线视频接收装置和一辆测控车组成，整套系统采用装车形式。其中发电机和天线安装在车外，发电机提供220V交流电源给测控车内设备供电，地面天线选用高增益全向垂直极化天线，为保证较远的传输距离，天线顶端的架设高度应保证在4.5m以上，馈线采用低损耗同轴电缆。机载CCD摄像机将拍摄到的实时地面图像交由USB视频采集卡采集，然后由外景监视计算机来显示，其余设备全部安装在车厢内。指令控制系统主要通过操纵杆和人机界面上的指令盘来实现，操纵人员通过操纵杆和指令盘分别发出相应的连续指令和离散指令，实现对发动机的起动、停止和状态切换控制以及对无人靶机的前飞控制、高度控制、起降控制、航向控制和侧飞控制。操纵人员同时也可通过终端显示计算机1和终端显示计算机2的显示界面获得无人靶机的飞行状态参数和实时航迹。这终端显示计算机可以对来自飞控计算机的遥测数据进行实时处理，无人靶机的飞行姿态方位角、飞行高度、航向、飞行坐标数据、发动机转速、飞机机载电压等参数通过虚拟的飞行仪表界面显示，同时绘制过程曲线图形，便于地面操纵人员及时准确地了解无人靶机的飞行状态。连续指令的发送是通过地面操纵人员手动控制操纵杆来施加连续的控制量，经地面测控计算机接收处理后，通过上行链路发送至飞控计算机。图1操纵杆右图为右手杆，右手杆的前倾和后仰可以控制无人靶机的俯仰运动，左倾和右倾可以控制无人靶机的横滚运动，左旋和右旋可以控制无人靶机的偏航运动，操纵杆还配备了4个离散指令功能键，为应急、杆量保持、刹车、回收，可根据操纵人员的握法对右手杆上的按钮进行功能设置。左图为油门杆，油门杆前推可以控制发动机的油门加大，后推可以控制发动机的油门减小，油门杆配备了2个离散指令功能键，为手动油门和自动油门，和右手杆一样，也可进行其他功能的设置。3.3航天测控软件功能架构地面测控系统是对无人靶机控制与测试的指挥中心，而指挥功能都是通过地面测控软件来实现的，本文设计的地面测控软件应具备如下功能：完成地面测控计算机与无线数据电台间的接口，实现测控信号以12.5Hz的传输周期实时通讯；提供各种信号的输入界面，并提供操纵控制信号、各地面设备与测控计算机间的信号接口；提供地面操纵人员对无人靶机进行操纵与控制的接口，使地面操纵人员能通过操纵杆和人机界面上的指令盘完成对无人靶机飞行动作的操纵与控制；以图形方式和过程曲线方式实时显示飞行状态参数和来自地面操纵人员的指令信号，这可以通过虚拟的飞行仪表界面来实现；能够实时采集无人靶机发回地面的视频图像，并实现图像的预览，完成图像的保存；可根据需要载入不同地形的地图，地面操纵人员可以通过简单直观的鼠标点击来缩放移动地图，并可实时编辑航点、设计航线以保证无人靶机的机上航迹重规划；完成飞行历程数据的保存及后期处理。3.4航天测控软件操作无人靶机地面测控软件的功能主要由处理数据传输的遥控遥测模块和无线视频图像的传输模块来实现。遥控遥测模块又划分为多个小的功能模块。遥控遥测模块通过无人靶机与地面操纵人员之间的人机交互界面来实现，机载飞控计算机和机载摄像机将传感器信息和地面图像传送到地面，地面操纵人员通过人机界面向无人靶机发送遥控指令，直观地了解无人靶机的飞行状态参数和曲线以及实时航迹，并通过地面数据电台发送上行遥控指令完成对无人靶机的操纵与控制。地面测控软件的人机交互界面包括以下几个部分：主控制界面。这个界面包括指令盘、当前无人靶机状态参数以及系统其他部分的功能入口。地面操纵人员可以控制无人靶机飞行，同时监测无人靶机当前的状态参数；动态曲线界面。动态曲线界面通过二维曲线显示无人靶机在一段时间内的状态参数的变化趋势。地面操作人员通过这个趋势图掌握无人靶机当前的飞行状态和飞行趋势，以供分析和判断，必要时通过操纵杆或离散遥控指令人为干预无人靶机的飞行状态；航迹—高度界面。该界面显示了无人靶机整个飞行过程中的高度变化与航迹。主要用来分析遥测数据及衡量飞行效果；曲线回放界面。该界面用来回放飞行过程中的某项参数曲线。图形界面的绘制作为一个低优先级、同时也是比较消耗CPU时间片的任务，测控软件将其放在一个低优先级的线程中执行。这样如果整个计算机系统比较空闲，就能够有更多的时间来刷新界面图像，保持一个较高的图像刷新率。在这样的刷新率之下，测控软件可以向地面操纵人员提供平滑的视觉效果。而如果系统比较繁忙，图形绘制与刷新线程得不到足够的CPU时间片，那么唯一的影响仅仅是图形界面的视觉效果不够平滑而已，不会影响到遥控遥测数据的收发与分析这类核心任务，最大限度的保证了测控软件的可靠性。3.5测控数据处理图主线程不断的从输入模块读取用户输入，然后调用飞行控制模块控制无人靶机飞行，并同时从数据存储与维护模块读取飞行状态数据，传送给飞行状态监测模块进行分析。数据处理线程监视串口和USB接口，使用串口通讯模块和图像传输模块接收RS232位数据及无线视频图像信息，并整合成帧数据包储存在数据存储与维护模块。图像绘制线程不断从飞行状态监测模块获得飞行状态并显示在屏幕上。3个线程各司其职，互不干涉，只通过静态模块之间的接口进行交互，大大增强了测控软件的可靠性。图1测控软件示意图测控系统是通过串口通讯模块实现与无人靶机的遥控遥测数据的传输的，所以实现数据传输的关键技术就是实现地面测控系统与数据链的串口通讯。测控系统中的数据一般采用串行通讯的方式传输，其实时性和可靠性对于控制性能有着至关重要的作用，直接影响到直升机的操纵性及安全性，因而接收程序属于强实时性任务，需要考虑通讯速度、数据传输距离、信道品质、数据量等多种因素。因此，在编程时采用中断服务程序设计串行通讯接收程序，就是在串行口接收中断服务子程序中直接进行数据帧识别、接收，为了不影响上行遥控指令的计算，接收数据后将串口接收标志位置位，在程序主循环中进行数据校验和处理。总结本文展现了测控系统，着重从软件软件方面设计了无人靶机测控软件各个主要局部。本测控软件很好的将不同级的遥控遥测技术和航迹规划技术融合到了飞机测控软件的设计中，在机载硬件的支持下，这种飞机的自主控制级别约达到了2—3级之间的自主水平。

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