波隆納大學 (the University of Bologna，UNIBO) 使用 CompactRIO 開發無人駕駛的直昇機飛行器

Author(s):
Roberto Pretolani - Department of Aerospace Engineering, University of Bologna, School of Engineering

Industry:
Aerospace/Avionics, University/Education, Research

Products:
LabVIEW, CompactRIO

The Challenge:
開發可自動飛行的直昇機平台，以用於大學校園條件下的控制與飛行概念研究。

The Solution:
使用 NI LabVIEW 與 CompactRIO 程式設計完整的控制系統，讓飛行電腦進行飛行資料擷取並控制直昇機。

在波隆納大學 (the University of Bologna，UNIBO) 的 DIEM 航空太空學系，我們開發了直昇機無駕駛航空器 (UAV)，用於研究 UAV 控制與飛行的測試基礎。

目前對軍事UAV 日漸增加的重視度，也提升了私人領域的開發熱潮。眾所週知，UAV 代表對真人操作飛行器成本與安全性的替代方案。相較於傳統飛行器，UAV 可提供飛行員安全的絕佳優點 (特別在視線不佳、骯髒，與危險的任務環境)、降低作業成本，並提升作業效率。

美國的 UAV 與迴旋翼 UAV (RWUAV) 系統研究極為先進，但在近幾年的歐洲卻剛起步。因此，歐盟正贊助 CAPECON 成為歐洲民間 UAV 工業的 UAV 開發方案。UNIBO 近來針對民間航空市場的定翼 UAV 系統，正進行多個開發與製造的研究專案，並渴望加入 CAPECON 方案。

此外，UNIBO 亦開始了 RWUAV 研究方案。由於 RWUAV 系統的垂直飛行模式、機動性，與垂直起降功能，因此 RWUAV 可針對許多應用，成為定翼 UAV (FWUAV) 的替代系統。RWUAV 研究方案的主要目標，即是要開發自動飛行直昇機，並用於控制與飛行的研究。

 

硬體與系統架構

我們已經建立了 2 組直升機模型平台，各具有 5.5 公斤的載重量。自動化飛行載具需要航空電子系統，以維持穩定高度並進行所需的飛行軌跡。此種航空電子系統包含感測器、電腦、資料連結硬體，與軟體；以導引、飛行，並控制載具。這些均為直昇機的必要元件；卻亦為大家所熟知本身不甚穩定的系統。鑑於此理由，我們決定使用 NI CompactRIO。

我們修改 Hirobo 60 與 Graupner 90 搖控直升機，以容納航空電子硬體。NI CompactRIO 作為飛行電腦，CompactRIO FPGA 模組則擷取感測器資訊，並根據控制運算式產生 PWM 致動器訊號。CompactRIO Real-Time 控制器接收 FPGA 的感測器資訊，並記錄所有的飛行資料，同時管理與地面控制站溝通的無線乙太網路。CompactRIO FPGA 重複透過 NI cRIO-9411 數位輸入模組與 NI cRIO-9474 數位輸出模組，接收並傳送 PWM 致動器訊號。系統則透過 NI cRIO-9201 類比輸入模組，擷取如電池電壓的狀態參數。

整個系統的重量約為 5 公斤 – 為我們使用的小型直昇機所能夠負載範圍之內。若我們能夠使用較大型的直昇機平台，就能夠運用 1 組以上的 NI CompactRIO 模組，作為 UAV 的備份或安全性系統。

 

軟體

RWUAV 系統具有一般 CompactRIO 應用設計架構。FPGA 程式碼使用 4 種不同時脈的讀取/寫入迴路與 1 組 PID 控制迴路，用於直升機的高度控制。PID 迴路將近 50 Hz，而寫入迴路將傳送 PWM 指令碼制直昇機的伺服致動器，並可穩定相機的固定致動器。第一個讀取迴路將擷取直升機高度、角度率 (Angular rate)、加速度，與來自於 Crossbow NAV420 (使用 RS232 協定) 的 GPS 位置。RS232 協定使用 FPGA 數位輸入，以確保即時應用所無法達到的穩定資料擷取量。

我們使用 NI LabVIEW Real-Time 軟體進行 FPGA 資料擷取、嵌入式飛行資料記錄、溝通地面控制站的無線乙太網路通訊，並管理與地面控制站溝通的 NI LabVIEW 即時通訊精靈。我們使用 Windows 版的 LabVIEW 開發地面控制戰軟體，並透過 Windows XP 的筆記型電腦執行之。遠端圖形化使用者介面則包含 2 個視窗 – 垂直機艙座 (Cockpit) 視窗與遙測 (Telemetry) 視窗 – 用於飛行資料資訊的即時顯示。

 

結論與觀點

透過 NI 軟體與硬體的協助，UNIBO 實驗室可成功開發 RWUAV 為可重設的整合系統，適於研究迴旋翼 (Rotary-wing) 與定翼 (Fixed-wing) UAV 概念開發中的控制與飛行定律。我們在直昇機盤旋的條件下，執行第一次的飛行任務，以測試內建的感測器資料擷取與 PID 高度控制系統。CompactRIO 確實為簡單易用的可程式化工具，並足以用於直升機的控制應用。在不久的將來，我們計劃建置更多感測器 (如聲納高度計) 至飛行電子應用中，以針對進階飛行動作執行高度測試；並建置飛行運算式，以建立完整的自動化迴旋翼系統。

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Roberto Pretolani
Department of Aerospace Engineering, University of Bologna, School of Engineering
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pretolani@ingfo.unibo.it

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