0 引言
航空拖靶是一種由飛機拖曳飛行的特殊的無人飛行器，一套完整的拖靶系統主要包括拖帶飛機、收放纜裝置、拖纜和拖靶。其中拖帶飛機一般為有人或無人駕駛飛機，收放纜裝置一般為掛裝在飛機上的電動或氣動式絞車，拖纜是通過絞車收放的一根長約幾千米而直徑只有幾毫米的鋼纜，拖靶多為外形類似導彈的無動力飛行器，由拖纜牽引飛行。主要用途是模擬敵方來襲的導彈類目標，為己方對空導彈、火炮等防空武器系統試驗或訓練提供模擬目標。
隨著技術的進步，現代反艦導彈多采取“超低空掠海飛行”的突防方式。與之相應，20世紀80年代以來，用于模擬反艦導彈類目標的航空拖靶，也向著這一方向快速發展。而這類拖靶都要裝有高度控制器，才能實現模擬導彈的超低空掠海定高飛行能力。其中，高度控制器是核心設備，控制精度、實時性和可靠性都有較高要求。同時，伴隨著計算機技術的快速發展，以應用為中心的“嵌入式系統”以其實時性好、可靠性高、體積小、重量輕、成本低和軟硬件可裁減等優勢，正在被廣泛應用于各個領域。因此，考慮到拖靶高度控制器的設計要求與嵌入式系統的應用場合非常符合，本文基于ARM7嵌入式微處理器和μC／OS-Ⅱ嵌入式實時操作系統，設計開發了航空拖靶的高度控制器。
1 控制器組成和工作原理
高度控制器主要由無線電高度表、垂向線加速度計、控制律解算主板、舵機驅動控制板及舵機組成，其中加速度計、控制律解算主板和舵機控制板集成在一個高度控制計算機盒內，其組成如圖1所示。
高度控制計算機是系統的中樞，它接收無線電高度表信號和加速度計信號。控制律解算主板首先對這2路信號進行抗混頻濾波和電平轉換等前置處理后送入A／D通道，再進行控制律解算，給出升降翼偏角的PWM控制信號至舵機驅動控制板，經舵機驅動控制板放大輸出驅動舵機，舵機驅動升降翼來調整拖靶的飛行高度。系統每20 ms進行一次控制律解算。工作原理框圖如圖2所示。
2 控制器軟硬件設計
高度控制器的設計主要包括3個部分的內容：高度控制計算機控制律解算主板的設計、高度控制計算機舵機驅動控制板的設計、傳感器與執行機構的選型及配置設計。其中，控制律解算主板是整個系統的核心，因此，全系統的設計也是圍繞這個核心進行的。
2．1 控制律解算主板
(1)硬件設計。高度控制律解算板主要功能是在收到開高控指令時，對接收到的無線電高度表信號和采集到的加速度計信號以及設定的飛行高度值按照控制律實時解算出升降翼偏轉角(周期為20 ms)，并變換成相應的PWM占空比送給舵機驅動控制板實現對升降翼偏轉角控制；同時還具有裝定拖靶定高飛行高度值、對無線電高度表輸出進行調零、對加速度計輸出進行調零和比例調整、對升降翼偏轉角進行調零和比例調整、接收遙控遙測分系統開／關高控指令和向其實時傳送拖靶狀態參數等功能。控制律解算主板采用基于ARM7的嵌入式微處理器設計。高度控制律解算板的原理框圖如圖3所示。
這里所選用的中央處理器是ARM7TDMI-S體系結構的32位微處理器芯片LPC2124。該處理器集成有16 KB的內部RAM和128 KB的內部FLASH存儲器，這些資源能夠滿足μC／OS-Ⅱ嵌入式實時操作系統的運行要求。除此之外還集成有2路UART串口、4路10位A／D轉換器、1個I2C接口、2個SPI接口、6路PWM輸出以及多路通用I／O口，分別用于與地面調參器通信進行高度裝定及其他參數的校正、與雷達高度表通信以獲取高度值、對加速度計輸出進行AD采樣、與小容量的E2PROM芯片進行數據讀／寫以修改和保存設置的參數、控制舵機工作等功能。選用該芯片可以極大地簡化外圍電路的設計，縮小電路板尺寸，提高系統運行的可靠性。
(2)軟件設計。高度控制律解算板中的應用程序是運行在嵌入式實時操作系統μC／OS-Ⅱ下，該系統具有可移植、裁剪、源代碼公開、多任務和基于優先級的搶占式任務調度等特點，實時性好，可靠性高。應用程序分解為任務優先級不同的6個任務，每個任務都是一個無限循環程序，任務間通過信號量、郵箱或者其他事件來傳遞。按任務優先級依次遞減分別是主任務(目標板初始化和建立其他任務，任務優先級最高)、串口0接收數據任務、串口1接收數據任務、執行定高指令任務、慢速數據采樣任務、串口0發送數據任務。
應用程序首先運行主任務(見圖4)，在執行延時20 ms等待操作時操作系統自動執行較低任務優先級的任務，在這里即為串口0接收數據任務，這個任務的功能是接收遙控／遙測分系統發送來的指令數據或者是調參器發送來的其他指令，當接收到開高控指令時則設置開高控標志位，在沒有繼續收到數據時則執行較低任務優先級的任務，即串口1接收數據任務，這是接收無線電高度表發送來的高度值并更新相應的高度全局變量。執行定高指令任務(見圖5)是由主任務通過發送開高控信號量來啟動的，當串口0接收數據任務設置了開高控標志位后，主任務便每間隔20 ms啟動一次執行定高指令任務，利用上次的解算結果及當前的垂向加速度值和高度值進行控制律解算，得出升降翼偏轉角并換算為相應的PWM占空比送給舵機驅動板控制舵機的偏轉。慢速數據采樣任務是1 Hz的速率采集靶載蓄電池的電壓、加速度以及無線電高度表等值并更新相應的全局變量。串口0發送任務是以5 Hz的速率向遙控遙測板發送拖靶的參數值，包括靶載蓄電池電壓、加速度值、無線電高度表值、設定高度值以及解算出的舵偏角值等。下面給出的是主任務程序框圖和執行定高指令任務程序框圖。
2．2 舵機驅動控制板
舵機驅動控制板和電動舵機以及位置反饋電位計構成了拖靶的舵機系統。舵機系統采用雙閉環即電流環和位置環的控制結構。電流環作為內環，用于抑制轉矩和電流的波動，減小功放死區，提高線性度。位置環是舵機系統的主回路，目的是保證較好的位置控制精度。由于拖靶自身的穩定性較好，故舵回路不采用速度環，而引入適當的微分器，以改善系統阻尼，提高系統剛度，減小各種非線性因素的影響。舵機系統結構框圖如圖6所示。
舵機驅動控制板包含采用模擬電路實現的位置調節器、電流調節器、PWM功放和反饋校正網絡。考慮到舵機系統的響應速度，位置調節器和電流調節器均采用簡單的比例式調節規律，由模擬集成運放AD822AN實現。位置反饋是舵機系統的主反饋，升降翼面的定位精度主要取決于位置傳感器的精度。標準電阻是小功率系統中常用的一種電流傳感器，因其簡單可靠、阻值穩定、精度高、頻響好、輸出標準電壓直接比例于所通過的電流，因而在PWM系統中得到了廣泛應用，故采用標準取樣電阻作電流傳感器。舵機驅動控制板圍繞直流電機驅動器專用集成電路L292設計了其外圍電路，L292是一種PWM直流電機驅動器專用集成電路。與線性功放相比，PWM功放具有功耗低、效率高、工作穩定可靠等優點，尤其是它的動力潤滑作用，對減小舵機死區，改善靜態精度和低速爬行非常有利。它的驅動能力強，可達2A／36V，集成度高，開關頻率可外部設定，片內設有過載保護和欠壓保護等功能。
2．3 傳感器與舵機執行機構配置
(1)無線電高度表。采用調頻／連續波(FM／CW)體制，工作頻率4 200～4 400 MHz，測高范圍0～300 m。高度輸出形式為232數字信號或模擬電壓輸出兩種格式，周期為20 ms。兩種輸出格式可通過發送指令進行選擇，這里使用的是精簡格式，一幀數據為4 B，前2 B和后2 B表示同一高度值，低位在前，高位在后。
(2)加速度計。加速度計安裝在拖靶的重心位置，集成在高度控制計算機機盒內，用于測量拖靶的垂直方向加速度，選用ADXL105AQC加速度計芯片，精度±1g～±5g，單通道模擬輸出，分辨率2 mg。工作電壓為單電源2．7～5．25 V，具有自檢功能，芯片自帶溫度傳感器模擬輸出，還帶有運算放大器，10 kHz的工作帶寬。
(3)舵機及執行機構。包括力矩舵機、螺旋傳動機構、搖臂和直滑式位移傳感器。舵機采用齒輪減速永磁直流力矩電機，額定轉矩0．3 nm，額定電流0．3 A，額定電壓27 V，額定轉速(80±8)r／min，空載轉速90 r／min。舵機以螺旋傳動方式來操縱舵面，同時靠搖臂帶動直滑式導電塑料位移傳感器反饋升降翼面偏轉角度。這里的位移傳感器選用直滑式精密導電塑料電位器做位置傳感器，其行程為3 cm，阻值為2 kΩ，獨立線性度為0．1％。
3 半實物仿真實驗及結果
在自行開發的半實物仿真平臺上，對研制的拖靶高度控制器樣機進行了仿真驗證。拖靶飛行動力學和運動學模型、無線電高度表信號、加速度計信號通過計算機模擬，再接入高度控制計算機、舵機等實物構成仿真回路。仿真步長為5 ms，仿真計算精度為64 b(雙精度浮點)。仿真結果如圖7～圖10所示，本文給出了4種主要干擾條件下的結果，拖靶裝訂基準高度為15 m。
仿真結果表明，在垂風、母機高度偏差、拖靶初始高度偏差、四級海情產生高度表噪聲影響和加速度計測量誤差影響的情況下，系統能夠控制拖靶平穩進入定高飛行狀態，受到干擾偏離基準高度后，高度控制器能進行快速修正，使拖靶能夠很快回到預定基準高度，并按精度要求保持在預定高度飛行，系統靜動態響應指標滿足設計要求，控高精度均可達2 m。
4 結語
本文采用嵌入式技術設計的航空拖靶高度控制器，可控制拖靶實現超低空、高精度的掠海定高飛行，達到了設計目標。設計中以ARM7嵌入式微處理器為核心進行了硬件研制，并基于μC／OS-Ⅱ實時嵌入式操作系統進行了應用軟件開發，將嵌入式技術及其優點成功應用于該控制器的研制，取得了較好的效果。