【信息科學(xué)與控制工程】

某型無人機全機仿真平臺設(shè)計

路引1，郭昱津2，浦黃忠1，陳睿璟3

(1.南京航空航天大學(xué)無人機研究院， 南京210016；2.中電集團(tuán)第二十八研究所，南京210007；

3.中航工業(yè)航空動力控制系統(tǒng)研究所，江蘇 無錫210063)

摘要：無人機控制系統(tǒng)仿真是驗證無人機控制策略、故障診斷和優(yōu)化航線等的主要方式。針對某型無人機的研制需求，分析了無人機仿真系統(tǒng)的原理和仿真信息的傳遞機制，提出并設(shè)計了基于全機仿真的無人機飛行控制仿真平臺，包括：仿真計算機系統(tǒng)、飛行控制系統(tǒng)、地面測控系統(tǒng)和視景模擬系統(tǒng)。并將此仿真平臺應(yīng)用于某型無人機飛行控制系統(tǒng)的全機仿真試驗中，試驗和測試結(jié)果表明：該仿真平臺設(shè)計合理并滿足飛行仿真要求，具有一定的工程應(yīng)用價值。

關(guān)鍵詞：無人機；仿真平臺；分系統(tǒng)；軟件設(shè)計

收稿日期：2014-11-02

作者簡介：路引(1988—)，男，碩士，實習(xí)研究員，主要從事無人機飛行力學(xué)與飛行控制研究。

doi:10.11809/scbgxb2015.05.032

中圖分類號：V279+.2；TJ8

文章編號：1006-0707(2015)05-0123-04

本文引用格式：路引，郭昱津，浦黃忠，等.某型無人機全機仿真平臺設(shè)計[J].四川兵工學(xué)報，2015(5):123-126.

Citation format:LU Yin, GUO YU-jin, PU Huang-zhong, et al.Design on Full Machine Simulation Platform for a Certain UAV[J].Journal of Sichuan Ordnance,2015(5):123-126.

Design on Full Machine Simulation Platform for a Certain UAV

LU Yin1, GUO YU-jin2, PU Huang-zhong1, CHEN Rui-jing3

(1.Research Institute of Unmanned Aerial Vehicle, Nanjing University of Aeronautics and

Astronautics, Nanjing 210016, China; 2.The 28th Research Institute of China Electronics

Technology Group Corporation, Nanjing 210007, China; 3.Research Institute of Aviation

Motor Control System, Aviation Industry Corporation of China, Wuxi 210063, China)

Abstract:The control system simulation for UAV is the main way to verify its control strategy, fault diagnosis and optimal route etc. In view of the development needs for a certain UAV, we analyzed the theory of simulation system and transmission mechanism of simulation information, and proposed and designed the flight control simulation platform based on the whole machine simulation, which including: computer simulation system, flight control system, the measurement and control system and visual simulation system. The simulation platform was applied to the whole machine simulation test for a certain UAV. The test results show that the design of the simulation platform is reasonable and satisfied with the requirements of flight simulation, and has further engineering applications value.

Key words: UAV; simulation platform; subsystem; software design

無人機控制系統(tǒng)仿真主要為無人機設(shè)計和控制策略研究提供飛行試驗平臺。在無人機的設(shè)計、研制和使用過程中，無人機飛行控制系統(tǒng)的半物理仿真作為飛行前和飛行后的實時過程模擬是一個重要的性能評估手段和故障的再現(xiàn)手段[1]。針對某型無人機飛行控制系統(tǒng)地面半實物仿真系統(tǒng)的要求，設(shè)計和開發(fā)了基于全機仿真的無人機飛行控制仿真系統(tǒng)試驗平臺，全機仿真是建立在半物理仿真基礎(chǔ)上的全機系統(tǒng)檢測，將飛控和航電系統(tǒng)的全部實物都安裝在無人機的機身內(nèi)，與飛行過程中的裝機條件完全一致，將無人機放置在三自由度的仿真轉(zhuǎn)臺上，建立合適的無人機仿真模型，進(jìn)行包括傳感器、執(zhí)行機構(gòu)(伺服舵機)、機載航電系統(tǒng)在內(nèi)的實物在回路仿真[2]。

1仿真系統(tǒng)原理

無人機全機仿真系統(tǒng)由無人機整機系統(tǒng)、飛行動力學(xué)仿真計算機系統(tǒng)、地面測控計算機系統(tǒng)、視景模

擬計算機系統(tǒng)、數(shù)據(jù)電臺、舵機測角裝置和三自由度姿態(tài)運動模擬平臺等組成，其系統(tǒng)組成如圖1所示。

慣導(dǎo)測量組件、飛控計算機、伺服舵機等均為無人機真實飛行時的機載設(shè)備，無人機整機安裝在三自由度姿態(tài)模擬轉(zhuǎn)臺上。三自由度模擬轉(zhuǎn)臺作為飛行仿真系統(tǒng)中的關(guān)鍵物理效應(yīng)設(shè)備與飛行仿真計算機系統(tǒng)、飛行動力學(xué)數(shù)學(xué)模型、舵機測角裝置、操縱與控制裝置一起構(gòu)成無人機的地面飛行過程實時仿真回路。操縱員通過操縱控制裝置操縱與控制無人機的飛行過程，通過仿真控制和管理計算機監(jiān)測無人機飛行狀態(tài)，并通過視景計算機系統(tǒng)模擬的真實飛行場景觀測無人機飛行[3]。

三自由度模擬轉(zhuǎn)臺激勵慣導(dǎo)裝置，慣導(dǎo)信息作為飛控計算機的輸入，經(jīng)過控制解算驅(qū)動舵機運動，舵機測角裝置實時采樣驗證飛機的舵面運動信號，通過仿真計算機解算驗證無人機空中的飛行運動特性，產(chǎn)生轉(zhuǎn)臺運動的激勵信號，從而形成閉環(huán)仿真回路。

圖1　無人機仿真系統(tǒng)原理框圖

2仿真信息傳遞機制

仿真系統(tǒng)各設(shè)備的信息傳遞包括了物理接口、模擬電壓、串行通訊、光纖通訊、并行接口和無線通訊等[4]。

無人機跟地面測控系統(tǒng)的實時通訊主要利用地面無線數(shù)據(jù)電臺完成上行和下行數(shù)據(jù)傳輸。通過分別設(shè)置信道上、下的工作頻率，采用機載天線完成機載遙測信號的接收和遙控指令的發(fā)送。全雙工電臺作為測控鏈路使用時，收發(fā)可以同時進(jìn)行。電臺波特率為19 200 bps，數(shù)據(jù)位8位，無校驗位，上行每幀長為18 Byte。下行幀長48 Byte，采用主副幀結(jié)構(gòu)，主幀40 Byte，副幀8 Byte。

機上飛控系統(tǒng)仿真主要由飛控計算機的舵偏信號經(jīng)物理接口轉(zhuǎn)換成電壓信號驅(qū)動舵機偏轉(zhuǎn)，舵機測角裝置由碼盤測得實時舵面偏角由7122并口卡采集轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，仿真計算機實時接收偏角信號并通過動力學(xué)模型解算，計算出的姿態(tài)角信號由光纖傳輸?shù)睫D(zhuǎn)臺控制計算機，信號經(jīng)物理接口功率放大驅(qū)動三自由度模擬轉(zhuǎn)臺運動，轉(zhuǎn)臺帶動無人機上慣導(dǎo)和陀螺裝置運動，信號由RS232串口送入飛控計算機，從而實現(xiàn)了各仿真效應(yīng)設(shè)備和無人機之間的閉環(huán)信息傳遞。同時，由飛控計算機解算的飛行狀態(tài)信息由RS232串口傳輸?shù)綑C載無線數(shù)據(jù)電臺完成下行數(shù)據(jù)發(fā)送。

地面測控臺通過USB接入操縱與地面控制裝置，并實時將控制信息由RS232串口傳輸?shù)揭暰坝嬎銠C和地面無線數(shù)據(jù)電臺，實現(xiàn)三維視景顯示和上行數(shù)據(jù)的發(fā)送。

為實現(xiàn)信號有效傳輸，各通訊方式都需要配備合適的接口卡。仿真計算機接口需配置6通道24位數(shù)字I/O口、10M以太通訊網(wǎng)絡(luò)和光纖反射式內(nèi)存。地面操控計算機需配置1個USB接口和2個獨立RS232串口。轉(zhuǎn)臺控制計算機需配置10M以太通訊網(wǎng)絡(luò)和光纖反射式內(nèi)存。

3仿真平臺分系統(tǒng)設(shè)計

3.1仿真計算機系統(tǒng)

對仿真計算機主要有4方面的要求：速度、精度、靈活性和經(jīng)濟性。由于本仿真平臺要求實時承擔(dān)飛行動力學(xué)方程的求解和各種實際飛行環(huán)境的模擬，所以對速度的要求很高[5-6]。另外，仿真計算機要與其他外部物理效應(yīng)設(shè)備進(jìn)行通訊，進(jìn)行信號轉(zhuǎn)換和傳遞，如 A/D、D/A 轉(zhuǎn)換和數(shù)字量的 I/O 以及開關(guān)量的傳遞。為了實現(xiàn)功能的擴展，仿真計算機選用臺灣研華工控公司的高檔工業(yè)控制計算機。

仿真界面如圖2所示，該軟件包括仿真參數(shù)和仿真參數(shù)設(shè)置2個對話框。其中，仿真參數(shù)對話框包括仿真數(shù)據(jù)顯示、動態(tài)航跡顯示、飛行姿態(tài)儀表和操作按鈕。仿真參數(shù)設(shè)置對話框主要設(shè)置飛機的起飛點、切點和起飛方式等。

圖2　仿真和仿真設(shè)置界面

3.2飛行控制系統(tǒng)

飛行控制系統(tǒng)是整個系統(tǒng)的核心，擔(dān)負(fù)著系統(tǒng)數(shù)據(jù)的采集、余度管理和控制律的計算等重要任務(wù)，該地面仿真平臺中飛行控制器選用TI公司的高性能處理芯片TMS320F28335作為飛控計算機的處理器芯片[7]。該芯片是一款TMS320C28X系列浮點DSP控制器，具有精度高，成本低，功耗小，性能高，外設(shè)集成度高，數(shù)據(jù)以及程序存儲量大，A/D 轉(zhuǎn)換更精確快速等優(yōu)點，并具有TI公司所開發(fā)的功能強大的CCS軟件平臺。

飛行控制軟件按照軟件工程設(shè)計準(zhǔn)則，采用模塊化結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計，使用C語言編程。飛行控制軟件按功能可分為4個部分，如圖3所示，分別為傳感器信號采集模塊、控制律解算模塊、控制信號輸出模塊以及無線數(shù)據(jù)通信模塊。為了提高程序的可維護(hù)性和可移植性，將每個模塊獨立封裝。當(dāng)某個模塊性能和參數(shù)需要調(diào)整時，只需配置相應(yīng)的模塊即可。

圖3　飛行控制系統(tǒng)軟件總體結(jié)構(gòu)

3.3地面測控系統(tǒng)

選擇研華工業(yè)控制計算機作為地面測控系統(tǒng)的測控計算機。地面測控軟件采用 VC++6.0 開發(fā)，采用 Windows 可視化編程技術(shù)實現(xiàn)[8]，仿真系統(tǒng)中，實時遙控遙測軟件需具有以下功能：

1) 在無人機的飛行過程中，實現(xiàn)地面操縱者的控制指令的上行發(fā)送和遙測數(shù)據(jù)的實時下行接收；

2) 實現(xiàn)飛行參數(shù)的實時顯示，并可完成過程曲線的實時繪制；

3) 實現(xiàn)人機交互界面和無人機的操縱與控制；

4) 完成飛行數(shù)據(jù)的保存，為后續(xù)的研究工作提供數(shù)據(jù)分析平臺。

根據(jù)軟件所要完成功能的要求，在VC++開發(fā)平臺下，采用模塊化的思想對軟件進(jìn)行總體設(shè)計。按照功能劃分，主要分為用戶界面、串口通訊和數(shù)據(jù)存儲3個模塊，各模塊之間的關(guān)系如圖4所示。按照數(shù)據(jù)模塊劃分，主要分為遙控、遙測和窗口刷新3個模塊，其系統(tǒng)圖如圖5所示。

圖4　遙控遙測軟件功能模塊

圖5　遙控遙測軟件數(shù)據(jù)模塊

實時遙控遙測軟件是操縱人員跟無人機交互的重要窗口，必須具備友好的人機交互能力。軟件設(shè)計了基于NI Mesaurement Studio AppWizard的友好界面，如圖6所示。

圖6　實時遙控遙測軟件界面

由圖6可以看出，界面左側(cè)以文本的方式顯示了飛機的飛行狀態(tài)和參數(shù)值。右側(cè)上部分是飛行儀表和三維飛行圖，更為直觀和立體的方式顯示飛行姿態(tài)，以方便操縱人員實時監(jiān)控飛機的飛行狀態(tài)。右側(cè)中部分是遙測指令，分為指令盤和操縱桿2個部分，操縱人員可以通過指令盤或者操縱桿改變飛機飛行狀態(tài)，其中操縱桿的指令采集采用USB接口的操縱桿、腳踏式方向舵、油門組合，不需要專門的數(shù)據(jù)采集卡，軟件中需安裝好底層驅(qū)動就可以使用。右側(cè)下部分是GPS傳感器、遙控遙測和火工品等的狀態(tài)顯示燈，如GPS正常，則綠燈顯示，失效則紅燈顯示，該部分能很好地監(jiān)測飛機上重要機載設(shè)備的工作狀態(tài)。設(shè)定每100ms刷新一次，因此設(shè)定定時器的周期為100ms。每次定時中斷到來時，對水平儀、航向儀的顯示和飛行參數(shù)列表中的數(shù)值進(jìn)行一次刷新。

3.4視景模擬系統(tǒng)

視景模擬是飛行仿真系統(tǒng)中一個重要的組成部分，為操控員提供了實際飛行任務(wù)中的虛擬環(huán)境。其主要利用三維動畫建模軟件和視景仿真軟件，生成模型機飛行的模擬影像和外部的環(huán)境景象[9-10]。視景模擬計算機通過RS232串口從地面測控計算機實時接收模型機的飛行數(shù)據(jù)，即為模型機的動作驅(qū)動數(shù)據(jù)，依據(jù)這些數(shù)據(jù)，使得模型機模擬真實飛機外場飛行。

實時視景系統(tǒng)需使用專門的工具軟件進(jìn)行開發(fā)，根據(jù)功能的不同分為三維建模軟件、視景仿真軟件等。在該模型機飛行仿真系統(tǒng)的視景模擬中將采用以VC++、OpenGL和MilkShape 3D為開發(fā)工具，使用場景優(yōu)化和實時繪制技術(shù)實現(xiàn)飛行場景的模擬。利用OpenGL實現(xiàn)模型的變換、著色、紋理和動畫相較于其他軟件有很大的優(yōu)越性，但是建立復(fù)雜模型相對困難很多，而MilkShape 3D在建立負(fù)載物體的模型上具有一定的優(yōu)勢，但是很難用程序進(jìn)行控制。因此，在OpenGL中實現(xiàn)對其程序控制和動畫，將兩者有機地結(jié)合在一起使用，各取所長是一種高效快捷的開發(fā)方式，利用這2個軟件平臺開發(fā)了該仿真系統(tǒng)的視景模擬軟件。主要實現(xiàn)步驟如下：

1) 利用MilkShape 3D建立無人機模型結(jié)構(gòu)，并對模型進(jìn)行紋理渲染和尺寸縮放使其接近真實的某型無人機。

2) 利用OpenGL中的函數(shù)對無人機模型紋理和材質(zhì)等進(jìn)行描述，形成模型參數(shù)列表并繪制成無人機模型。

3) 利用OpenGL實現(xiàn)飛行場景的描繪和渲染，包括飛行地形、天空、太陽和水的場景，并根據(jù)飛行需要進(jìn)行場景視角的不同變換。

4全機仿真試驗

無人機在地坐標(biāo)系中根據(jù)飛行任務(wù)按預(yù)定航線飛行，其預(yù)定航線如圖7所示。其橫坐標(biāo)為東向距離，縱坐標(biāo)為北向距離，航跡圖中1～15為飛行航點，無人機自主飛行時根據(jù)待飛航點沿預(yù)設(shè)航線飛行。

無人機飛行時，由測控臺發(fā)送起飛指令，無人機由航點0起飛，飛行高度高于100m后進(jìn)入自主飛行，在空中飛行2圈后由航點10開始，返航，最終返回到航點15，結(jié)束一次完整的飛行任務(wù)。無人機仿真飛行軌跡如圖8所示。

圖7　無人機飛行預(yù)設(shè)航線

圖8　無人機飛行軌跡

5結(jié)束語

無人機全機仿真是無人機研制過程中的重要組成部分，根據(jù)某型無人機研制需求，提出了全機仿真試驗平臺，測試和試驗表明該平臺設(shè)計合理，達(dá)到了預(yù)期的目的，能夠很好地驗證無人機飛行控制策略、故障診斷和優(yōu)化航線等。

參考文獻(xiàn)：

[1]Fantinutto R,Guglieri G,Quagliotti F B.Flight control system design and optimisation with a genetic algorithm[J].Aerospace Science and Technology,2005(4):73-80.

[2]翟彬.小型無人機飛控系統(tǒng)實時仿真技術(shù)研究[D].鄭州：鄭州大學(xué),2007.

[3]薛明旭.基于Matlab的無人機飛行控制系統(tǒng)設(shè)計與仿真[J].電光系統(tǒng),2010(4):40-43.

[4]Guillermo Heredia,Alfonso Duran,Anibal Ollero,et al.Modeling and Simulation of the HADA Reconfigurable UAV[J].Journal of Intelligent & Robotic Systems,2012,65(1/4):115-122.

[5]申文彬.半實物仿真系統(tǒng)實時通信技術(shù)的研究與開發(fā)[D].長沙：湖南大學(xué),2006.

[6]LIANG Li-hua,CUI Dong-liang,ZHANG Song-tao,et al.Research on Moment Coupling and Compensation Control of Three-axis Ship Motion Simulation Turntable[J].Key engineering materials,2010,419/420:625-650.

[7]王斌.某小型無人機的飛行控制計算機的硬件設(shè)計[J].計算機測量與控制,2006,14(10):1355-1357.

[8]Bambang Rilanto Trilaksono,Rayan Triadhitama,Widyawardana Adiprawita.Hardware-in-the-loop simulation for visual target tracking of octorotor UAV[J].Aircraft engineering and aerospace technology,2011,83(6):407-419.

[9]姚旭寅.基于真實地形的無人機視景仿真系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)[D].南京：南京航空航天大學(xué),2009.

[10]Gao Ying,Lei Lei,Wang Xiuliang,et al.Design and Realization of Virtual Scene System inUAV Electronic Warfare[C]//2009 International Conference on Information Engineering and Computer Science (ICIES 2009).[S.l.]:[s.n.],2009:1250-1253.

[11]陳衛(wèi)，湯超君．基于狀態(tài)的某型無人機系統(tǒng)維修研究[J].重慶理工大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2014(1)：102-104．

(責(zé)任編輯楊繼森)