当前旋翼无人机发展如火如荼，在军事领域和民用领域具有广泛的应用需求。目前国内外较成熟的旋翼无人机都具备自动和手动飞行两种控制方式。在旋翼无人机交付用户前的前期飞行调参过程中，因旋翼无人机平台状态不稳定和不确定性，主要采用手动飞行方式对旋翼无人机进行状态调整和验证。在交付用户后，即使旋翼无人机状态完整并具备自动飞行能力时，在一些特殊的情形和场合下，仍需要采用手动飞行实现旋翼无人机的起降和飞行。目前国内旋翼无人机的手动飞行控制器主要采用航模控制器，这类控制器可靠性较差并且无遥测信息和状态显示功能，直接影响飞行操作手的操作交互体验和无人机飞行安全。所以通过对手动飞行控制器的需求和约束条件进行分析，设计一款高可靠性、实用性好的旋翼无人机手动飞行控制器有重要的意义。
1手动飞行控制器介绍
手动飞行控制器是飞行操作手对旋翼无人机手动飞行控制的设备。通过手动飞行控制器，主要实现对旋翼无人机进人工起降控制、人工近场机动飞行以及半自主人工遥控飞行。手动飞行控制器在旋翼无人机系统中的工作原理如图1所示，手动飞行控制器一般与旋翼无人机控制站连接，手动飞行控制器的控制指令在旋翼无人机地面站内完成组帧后，通过地面和机载数据链发送给旋翼无人机，实现对旋翼无人机的手动控制。
2总体设计需求与约束
2.1需求分析
手动飞行控制器作为飞行操作手手动控制旋翼无人机的人机交互设备，不但需实现必要的功能，还需具备良好的人机功效。其基本需求如下：（1）提供产生多路控制信号的良好人机接口，用于人工控制旋翼无人机的飞行；（2）可显示飞行操作手需关注的飞行参数和状态，并在手动飞行过程中也便于查看；（3）飞行操作手一般采用站立姿势操纵飞行，各功能模块布置应合理，并需提供可靠、舒适的设备固定方式，以保证飞行操纵的准确度，降低飞行操作手的工作负荷和心理压力。
2.2约束分析
根据手动飞行控制器使用方式和应用场合，应包括以下总体设计约束：（1）高可靠性：在手动飞行过程中，手动飞行控制器若出现故障会直接影响飞行安全，所以在设计过程中，可靠性设计始终应放在第一位，应在软硬件设计时采用提高可靠性的措施；（2）结构轻便：考虑到飞行操作手站立背负使用手动飞行控制器，为降低飞行操作手的工作疲劳程度和操纵可达性，手动飞行控制器的重量应尽量轻，整体尺寸应控制在合理范围；（3）使用适应性：考虑飞行操作手个体体型差异，手动飞行控制器尺寸和固定位置应有一定的调节范围，以适应不同体型的飞行操作手使用。（4）环境适应性：旋翼无人机可能经常在较为恶劣的自然环境和复杂电磁环境下执行任务，为保证恶劣环境下，手动飞行控制器能保持应有的功能和性能稳定工作，设计时应充分考虑设备环境适应性。
2.3总体设计思路
根据总体需求开展总体设计，旋翼无人机手动飞行控制器总体组成框图如图2所示。设备组成主要包括控制模块、显示模块、AR眼镜模块和背带套装。控制模块采用单手柄模式，上布置多种传感器，主要产生控制旋翼无人机的各通道的控制指令，并发送给显示模块。显示模块接收控制模块的控制指令数据，并可产生其他控制指令，然后把这些指令和其他数据组包一起发送给旋翼无人机地面站。显示模块可以显示操作手需要关注的一些飞行遥测和状态信息。飞行操作手通过佩戴AR眼镜模后，可把显示模块显示屏上的信息投放到目视的前方，保证在在手动飞行过程中飞行操作手也便于查看飞行遥测信息和状态信息。
3硬件设计需求与约束
3.1需求分析
AR眼镜可通过采购成熟的模块集成，硬件设计主要包括控制模块和显示模块的硬件设计。控制模块和显示模块的硬件需求如图3所示。
3.1.1控制模块硬件需求
（1）可采集多路模拟量和开关离散量：控制模块产生控制旋翼无人机纵向、横向、垂向和航向等多个通道的控制量，需通过采集电路采集多个位移传感器模拟量和开关离散量实现；（2）采集模拟量需进行滤波处理：为提高模拟量采集的准确性，在模拟量A/D采集前端通过滤波电路进行滤波处理；（3）采集离散量需进行消抖和除杂波处理：需设计相应的开关电路准确地区分抖动与多次快速按下，并消除杂波；（4）对采集信号进行编码：微处理器电路需具备A/D模块进行编码，并具备一定的数据处理能力；（5）实现串口通信功能：控制模块与显示模块之间采用串口通信，需通过RS422电路模块实现，为保证通信的质量，还需设计ESD防护电路。
3.1.2显示模块硬件需求
（1）高性能的数据处理和存储能力：遥控遥测数据的收发高低、低时延特点要求应采用较高性能的处理器和较大运行内存，存储内存应满足数据记录需求；（2）显示和触摸输入功能：需选用一定尺寸的显示屏用于遥测参数和状态显示，考虑指令输入、页面切换等应采用触摸屏设计；（3）实现电源转换和管理功能：显示模块给控制模块和AR眼镜模块以及内部各单元分配供电，并对备用电池的充放电管理，需通过电源转换和管理电路实现；（4）周边按键实现硬按键输入功能：为提供产品可靠性，需设计周边按键实现可靠的指令输入功能，同时需设计按键采集电路；（5）备份供电功能：备份供电为了保证设备供电的可靠性，需采用后备电池设计，可选用高能量密度的锂电池实现备份供电。
3.2约束分析
为满足设备使用要求，硬件还应满足以下方面的设计约束：
3.2.1位移控制杆行程适当
飞行操作手一般通过手臂或手指操纵位移控制杆，所以位移控制杆的行程不宜过大或太小，若行程过大，操纵可达性差，若行程太小，飞行操作手需要精细操作，对操作员产生巨大的负荷，同时带来的飞行风险。
3.2.2低功耗
为增加备用的锂电池的后备供电时间，电路应采用低功耗设计。
3.2.3满足户外使用
飞行操作手一般在地面站外使用手动飞行控制器，室外太阳直射环境会造成看不清显示屏的显示信息，所以应选择高亮度和对比度的显示屏，可考虑增加显示屏背光功能，并增加亮度调节功能。
4软件设计需求与约束
4.1需求分析
根据手动飞行控制器的各模块的功能，设备应包括以下软件功能模块：（1）数据采集和处理功能模块：运行于控制模块中，实现模拟量和开关量采集，并对数据进行处理后通过串口输出；（2）遥控协议处理功能模块：运行于显示模块中，实现上行遥控数据的处理、组帧和发送；（3）遥测参数和状态显示功能模块：运行于显示模块中，实现飞行操作手需关注的遥测参数和设备状态显示，可采用文字或图形方式显示；（4）数据记录功能模块：运行于显示模块中，实现飞行遥控数据的记录功能，为后期数据分析提供原始数据。
4.2约束分析
为满足设备的性能和使用要求，软件还应满足以下方面的设计约束：
4.2.1时延小
为满足上行遥控数据发送的低时延要求，软件对上行数据的处理和传递时延要小。
4.2.2UI界面简洁
旋翼无人机的遥测参数和系统状态信息众多，飞行操作手无需获取所有信息，所有只需显示飞行操作手需要关注的信息，显示界面的背景和字体配色以及界面布局等要适应在VR眼镜上显示；UI的输入界面的设计要充分考虑飞行操作手的操作方便和可靠。
4.2.3核心功能稳定
手动飞行控制器软件的核心功能是产生并发送飞行遥控数据，该功能的优先级应最高，在软件设计时应充分考虑该功能的可靠性和稳定性。为保证遥控协议处理功能模块的稳定性和健壮性，以及降低软件功能模块之间的耦合性，遥控协议处理功能、遥测参数和状态显示功能和数据记录功能可考虑分别采用三个独立软件配置项实现。
4.2.4兼顾调参功能
在旋翼无人机前期调参阶段，手动飞行控制器需配合完成地面测试试验，所以软件应具备满足特定调参测试项等功能，以提高调参测试的效率和减轻飞行操作手的负担。
5结束语
手动飞行控制器作为旋翼无人机地面系统中重要的控制设备，产品的可靠性和人机效能直接影响旋翼无人机的飞行安全。本文以提高产品的可靠性和人机效能为目标，分析了旋翼无人机手动飞行控制器总体和软硬件设计需求和约束，为手动飞行控制器的实际工程设计提供重要输入。
参考文献
[1]刘丽君,涂天佳.一种新型的旋翼无人机便携式飞行控制器设计[J].电子技术与软件工程,2018(08):114-115.
[2]施斌.无人机操作手培养浅析[J].教练机,2012(03):89-92.
[3]刘智腾.小型无人机地面站软件设计与实现[D].南昌:南昌航空大学,2015.
作者:肖光华 单位:中国直升机设计研究所
