前言：尋找寫作靈感？中文期刊網用心挑選的旋翼無人機手動飛行控制器設計需求，希望能為您的閱讀和創作帶來靈感，歡迎大家閱讀并分享。
當前旋翼無人機發展如火如荼，在軍事領域和民用領域具有廣泛的應用需求。目前國內外較成熟的旋翼無人機都具備自動和手動飛行兩種控制方式。在旋翼無人機交付用戶前的前期飛行調參過程中，因旋翼無人機平臺狀態不穩定和不確定性，主要采用手動飛行方式對旋翼無人機進行狀態調整和驗證。在交付用戶后，即使旋翼無人機狀態完整并具備自動飛行能力時，在一些特殊的情形和場合下，仍需要采用手動飛行實現旋翼無人機的起降和飛行。目前國內旋翼無人機的手動飛行控制器主要采用航?？刂破鳎@類控制器可靠性較差并且無遙測信息和狀態顯示功能，直接影響飛行操作手的操作交互體驗和無人機飛行安全。所以通過對手動飛行控制器的需求和約束條件進行分析，設計一款高可靠性、實用性好的旋翼無人機手動飛行控制器有重要的意義。
1手動飛行控制器介紹
手動飛行控制器是飛行操作手對旋翼無人機手動飛行控制的設備。通過手動飛行控制器，主要實現對旋翼無人機進人工起降控制、人工近場機動飛行以及半自主人工遙控飛行。手動飛行控制器在旋翼無人機系統中的工作原理如圖1所示，手動飛行控制器一般與旋翼無人機控制站連接，手動飛行控制器的控制指令在旋翼無人機地面站內完成組幀后，通過地面和機載數據鏈發送給旋翼無人機，實現對旋翼無人機的手動控制。
2總體設計需求與約束
2.1需求分析
手動飛行控制器作為飛行操作手手動控制旋翼無人機的人機交互設備，不但需實現必要的功能，還需具備良好的人機功效。其基本需求如下：（1）提供產生多路控制信號的良好人機接口，用于人工控制旋翼無人機的飛行；（2）可顯示飛行操作手需關注的飛行參數和狀態，并在手動飛行過程中也便于查看；（3）飛行操作手一般采用站立姿勢操縱飛行，各功能模塊布置應合理，并需提供可靠、舒適的設備固定方式，以保證飛行操縱的準確度，降低飛行操作手的工作負荷和心理壓力。
2.2約束分析
根據手動飛行控制器使用方式和應用場合，應包括以下總體設計約束：（1）高可靠性：在手動飛行過程中，手動飛行控制器若出現故障會直接影響飛行安全，所以在設計過程中，可靠性設計始終應放在第一位，應在軟硬件設計時采用提高可靠性的措施；（2）結構輕便：考慮到飛行操作手站立背負使用手動飛行控制器，為降低飛行操作手的工作疲勞程度和操縱可達性，手動飛行控制器的重量應盡量輕，整體尺寸應控制在合理范圍；（3）使用適應性：考慮飛行操作手個體體型差異，手動飛行控制器尺寸和固定位置應有一定的調節范圍，以適應不同體型的飛行操作手使用。（4）環境適應性：旋翼無人機可能經常在較為惡劣的自然環境和復雜電磁環境下執行任務，為保證惡劣環境下，手動飛行控制器能保持應有的功能和性能穩定工作，設計時應充分考慮設備環境適應性。
2.3總體設計思路
根據總體需求開展總體設計，旋翼無人機手動飛行控制器總體組成框圖如圖2所示。設備組成主要包括控制模塊、顯示模塊、AR眼鏡模塊和背帶套裝。控制模塊采用單手柄模式，上布置多種傳感器，主要產生控制旋翼無人機的各通道的控制指令，并發送給顯示模塊。顯示模塊接收控制模塊的控制指令數據，并可產生其他控制指令，然后把這些指令和其他數據組包一起發送給旋翼無人機地面站。顯示模塊可以顯示操作手需要關注的一些飛行遙測和狀態信息。飛行操作手通過佩戴AR眼鏡模后，可把顯示模塊顯示屏上的信息投放到目視的前方，保證在在手動飛行過程中飛行操作手也便于查看飛行遙測信息和狀態信息。
3硬件設計需求與約束
3.1需求分析
AR眼鏡可通過采購成熟的模塊集成，硬件設計主要包括控制模塊和顯示模塊的硬件設計?？刂颇K和顯示模塊的硬件需求如圖3所示。
3.1.1控制模塊硬件需求
（1）可采集多路模擬量和開關離散量：控制模塊產生控制旋翼無人機縱向、橫向、垂向和航向等多個通道的控制量，需通過采集電路采集多個位移傳感器模擬量和開關離散量實現；（2）采集模擬量需進行濾波處理：為提高模擬量采集的準確性，在模擬量A/D采集前端通過濾波電路進行濾波處理；（3）采集離散量需進行消抖和除雜波處理：需設計相應的開關電路準確地區分抖動與多次快速按下，并消除雜波；（4）對采集信號進行編碼：微處理器電路需具備A/D模塊進行編碼，并具備一定的數據處理能力；（5）實現串口通信功能：控制模塊與顯示模塊之間采用串口通信，需通過RS422電路模塊實現，為保證通信的質量，還需設計ESD防護電路。
3.1.2顯示模塊硬件需求
（1）高性能的數據處理和存儲能力：遙控遙測數據的收發高低、低時延特點要求應采用較高性能的處理器和較大運行內存，存儲內存應滿足數據記錄需求；（2）顯示和觸摸輸入功能：需選用一定尺寸的顯示屏用于遙測參數和狀態顯示，考慮指令輸入、頁面切換等應采用觸摸屏設計；（3）實現電源轉換和管理功能：顯示模塊給控制模塊和AR眼鏡模塊以及內部各單元分配供電，并對備用電池的充放電管理，需通過電源轉換和管理電路實現；（4）周邊按鍵實現硬按鍵輸入功能：為提供產品可靠性，需設計周邊按鍵實現可靠的指令輸入功能，同時需設計按鍵采集電路；（5）備份供電功能：備份供電為了保證設備供電的可靠性，需采用后備電池設計，可選用高能量密度的鋰電池實現備份供電。
3.2約束分析
為滿足設備使用要求，硬件還應滿足以下方面的設計約束：
3.2.1位移控制桿行程適當
飛行操作手一般通過手臂或手指操縱位移控制桿，所以位移控制桿的行程不宜過大或太小，若行程過大，操縱可達性差，若行程太小，飛行操作手需要精細操作，對操作員產生巨大的負荷，同時帶來的飛行風險。
3.2.2低功耗
為增加備用的鋰電池的后備供電時間，電路應采用低功耗設計。
3.2.3滿足戶外使用
飛行操作手一般在地面站外使用手動飛行控制器，室外太陽直射環境會造成看不清顯示屏的顯示信息，所以應選擇高亮度和對比度的顯示屏，可考慮增加顯示屏背光功能，并增加亮度調節功能。
4軟件設計需求與約束
4.1需求分析
根據手動飛行控制器的各模塊的功能，設備應包括以下軟件功能模塊：（1）數據采集和處理功能模塊：運行于控制模塊中，實現模擬量和開關量采集，并對數據進行處理后通過串口輸出；（2）遙控協議處理功能模塊：運行于顯示模塊中，實現上行遙控數據的處理、組幀和發送；（3）遙測參數和狀態顯示功能模塊：運行于顯示模塊中，實現飛行操作手需關注的遙測參數和設備狀態顯示，可采用文字或圖形方式顯示；（4）數據記錄功能模塊：運行于顯示模塊中，實現飛行遙控數據的記錄功能，為后期數據分析提供原始數據。
4.2約束分析
為滿足設備的性能和使用要求，軟件還應滿足以下方面的設計約束：
4.2.1時延小
為滿足上行遙控數據發送的低時延要求，軟件對上行數據的處理和傳遞時延要小。
4.2.2UI界面簡潔
旋翼無人機的遙測參數和系統狀態信息眾多，飛行操作手無需獲取所有信息，所有只需顯示飛行操作手需要關注的信息，顯示界面的背景和字體配色以及界面布局等要適應在VR眼鏡上顯示；UI的輸入界面的設計要充分考慮飛行操作手的操作方便和可靠。
4.2.3核心功能穩定
手動飛行控制器軟件的核心功能是產生并發送飛行遙控數據，該功能的優先級應最高，在軟件設計時應充分考慮該功能的可靠性和穩定性。為保證遙控協議處理功能模塊的穩定性和健壯性，以及降低軟件功能模塊之間的耦合性，遙控協議處理功能、遙測參數和狀態顯示功能和數據記錄功能可考慮分別采用三個獨立軟件配置項實現。
4.2.4兼顧調參功能
在旋翼無人機前期調參階段，手動飛行控制器需配合完成地面測試試驗，所以軟件應具備滿足特定調參測試項等功能，以提高調參測試的效率和減輕飛行操作手的負擔。
5結束語
手動飛行控制器作為旋翼無人機地面系統中重要的控制設備，產品的可靠性和人機效能直接影響旋翼無人機的飛行安全。本文以提高產品的可靠性和人機效能為目標，分析了旋翼無人機手動飛行控制器總體和軟硬件設計需求和約束，為手動飛行控制器的實際工程設計提供重要輸入。
參考文獻
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作者:肖光華 單位:中國直升機設計研究所
