无人机编队表演控制系统设计与实现

　　摘要：针对目前无人机编队表演由成百上千架无人机搭载 LED 组成空间点阵的高成本现状，提出了一种新型的无人机编队表演方式。通过差分 GPS定位方法操控 4架无人机搭载 LED 灯带组成空间点阵，将空间定位和灯带控制结合，共同完成 LED 空间点阵。整个系统采用两层架构实现，第一层由地面主站到无人机，操控无人机的定位及其转发对灯带的控制指令;第二层由 FPGA 核心板到灯带，接收地面发送的指令，对灯带上 LED 灯的亮灭进行控制，实现无人机编队表演各种图案。试验结果表明，新型无人机编队表演控制系统运行稳定可靠，可降低无人机编队表演成本。

　　关键词：无人机;编队表演;控制系统;LED 点阵

　　Abstract: Due to the high cost of the UAV formation performance is composed of hundreds of UAVcarrying LED to form a space lattice, a new-type control system of UAV fomation performance is proposed. The four UAV equipped with LED light belt are controlled by differential GPS positioning method. The space positioning and light belt control are integrated to complete the LED space lattice. Thewhole system adopts two-tier architecture. The first layer is from the ground master station to the UAV to control the positioning of UAV and to send instructions FPGA in order to control the light belt. In the second laver, from FPGA core board to light belt, it receives the instructions from the ground to control the LED light on and off., so as to realize UAV fommation performance of various patterns. The test results show that the new-type control system of UAV formation performance is stable and reliable and can reduce the cost of UAV formation performance.

　　Kevwords: UAV: formation perfomance; control system; LED dot matrix

　　随着无人机编队表演的兴起，编队飞行表演成为小型无人机发展的新方向[1-4]。目前，编队表演是由成百上千架无人搭载 LED 灯光在空间组成点阵，通过灯光色彩编程控制每架无人机上 LED 光源的亮灭组成各种图案[5-11]。但是，编队表演形式存在一些不足，主要表现为需要无人机数量多、大批量摔机、单个掉落、单个飞走等，抗干扰能力有待加强，而且每一次表演的费用昂贵[12-15]。文中设计了一种新型的无人机编队表演控制系统，可降低无人机编队表演成本。

　　1 无人机组成原理

　　无人机由飞控计算机、传感器系统、GPS 模块和动力系统等组成[15-16]。飞行控制系统被视为无人机的大脑，其核心是飞控计算机，飞机是悬停还是飞行、向哪个方向飞都是由飞控下达指令;传感器系统相当于无人机的眼睛，用于实时测量和采集无人机数据;GPS 模块用于对无人机进行定位;通信模块用于无人机和地面基站进行通信;动力系统由无人机的风门、升降机、方向机、副翼和动力电池组成，飞控计算机发出的指令给动力系统，从而完成各种动作。

　　1.1 飞控系统

　　无人机飞控系统如图 1 所示，其主要由遥控板和飞控板组成。无人机飞行控制系统是指能够稳定无人机飞行姿态，并能控制无人机自主或半自主飞行的控制系统。飞控系统实时采集各传感器测量的飞行状态数据、接收无线电测控终端传输的由地面测控站上行信道送来的控制命令及数据，经计算处理，输出控制指令给执行机构，实现对无人机中各种飞行模态的控制和对任务设备的管理与控制。同 时，将无人机的状态数据及发动机、机载电源系统、任务设备的工作状态参数实时传送给机载无线电数据终端，经无线电下行信道发送回地面测控站。

　　1.2 无人机定位

　　文中系统采取差分 GPS 定位方法，目的在于消除常规 GPS 技术中人为加入的系统误差。差分系统由坐标已知、固定不动的基准站和移动站组成，其工作原理如下

　　1.3 飞控系统硬件

　　飞控板由 STM32 主控制器和 MPU6000 陀螺仪组成，其原理如图 2 所示。主控制器根据当前的任务指示结合控制算法，输出适当占空比的 PWM 波信号，控制电源输出的交变电流大小及尾部舵机转向，由此完成四旋翼、固定翼、直升机的姿态控制飞行。飞控系统无需借助 GPS 融合或者磁场传感器参与修正，就能保持长时间的姿态控制。通过 C 语言编译便可设置或者更改飞机种类、飞行模式、支持云台增稳等功能。由于地面站软件集成了完整的电子地图，因此可以通过电台实时监测飞机状态。

　　1.4 LED点阵

　　如图3所示，以8x8x8的点阵为例。4架无人机在同一平面上飞行，组成一个正方形，搭载LED点阵的一个端点。同一平面内有64个LED点阵，立体空间LED组成了512个点阵。编写图案程序，并将指令发送至FPGA，由FPGA控制LED的亮灭，形成所需图案。

　　1.5 LED点阵驱动

　　设计用FPGA芯片EPIC6QC240c8。系统根据LED点阵的要求，利用Avalon总线配置了32位CPU软核以及ROM，RAM、SRAM，FIFO、SDRAM和DMA等片内外资源。用C语言编写DMA控制程序，实现在FIFO与Avalon传输，同时还专门设计了LED控制器，以实现LED点阵显示图案的功能。使用FPGA的10口来驱动LED点阵的行，但由于10口的输出电流比较小，无法直接驱动行方向的LED灯，所以要在10口输出管脚与点阵的行之间安装一个PNP型的三极管，起到放大电流的作用。当 IO 口给出低电平时，三极管导通，三极管的另一端输出高电平，点亮行向 LED。行 LED 点阵行驱动如图 4 所示。以8×8×8 的点阵为例，在 8×8 的平面内需要布置 64 个三极管放大器，用于驱动同一平面内的 LED 灯。列驱动采用 FPGA，其本身就具有锁存功能和移位输出功能，且移位寄存器和输出锁存器的控制是相互独立的，可实现在显示一行的列数据同时传送出下一行的列数据。LED 点阵的列线接到 FPGA 的 IO 口 上。主机给出指令显示数据，实现对 LED 点的控制。列 LED 点阵列驱动如图 5所示。

　　2软件设计

　　2.1 飞行模块主程序设计图6所示为飞行模块主程序图，电路通电后，各芯片进行初始化，进入按键扫描阶段，此时系统处于待机状态。

　　2.2 中断控制流程图程序设计图7所示为中断控制流程图程序，中断源向MPU提出处理要求，MPU先暂时停止当前的工作，而转去处理另一件工作。具体步骤是首先要把中断打开，当有中断时，保护被中断进程现场，将当前PSW和PC等的值保存;接着，若有多个中断同时发出请求，则进入优先级最高的中断，处理数据;之后恢复被中断进程现场，返回主程序。

　　2.3 LED点阵程序设计

　　图8所示为LED点阵显示主程序，系统采用c语言编写LED点阵图案程序，通过编译器将源程序编译成可执行文件并下载，对可执行程序进行调试和运行。主程序主要完成系统的初始化，其主要功能是：对于系统中的每一个微处理器，从设备都生成一个定义该设备地址的头文件，为软件开发创建存储器映射文件。DMA的操作通过中断服务程序执行，把需要送出的像素信息排成一行，顺序送出形成数据流，借助于Avalon流模式外设的设计方法，实现一个Avalon流模式的LED控制器。利用DMA控制器在流模式控制器和SRAM之间建立一条DMA传送通道，通过硬件来完成像素信息的自动读取。

　　3结束语

　　文中提出一种新型无人机编队表演方法，由4架无人机搭载LED灯带组成点阵，控制点阵中LED的亮灭，实现各种所需图案;该系统LED灯点阵可以扩展，可由多架无人机LED平面灯组成空间立体，实现立体图案。该系统用LED灯带组成点阵，可以减小无人机数量，降低表演成本，具有一定使用推广价值。

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文章名称： 无人机编队表演控制系统设计与实现

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