在無(wú)人機(jī)制導(dǎo)、導(dǎo)航與控制中應(yīng)用半實(shí)物仿真

　　“使用NI PXI，我們能夠在實(shí)時(shí)狀態(tài)下以低延時(shí)完成復(fù)雜的無(wú)人機(jī)模型仿真，并完美地模擬了航空設(shè)備界面。”

　　挑戰(zhàn):

　　在目標(biāo)硬件上搭建一個(gè)系統(tǒng)，在實(shí)時(shí)控制仿真環(huán)境中，來(lái)驗(yàn)證無(wú)人飛機(jī)(UAV)的制導(dǎo)、導(dǎo)航和控制(GNC)算法。

　　解決方案:

　　在開(kāi)發(fā)的早期階段，開(kāi)發(fā)一個(gè)硬件在環(huán)(HIL)測(cè)試環(huán)境來(lái)測(cè)試無(wú)人機(jī)GNC解決方案。

　　HIL測(cè)試環(huán)境是軟件仿真和飛機(jī)實(shí)驗(yàn)的一個(gè)中間步驟，對(duì)于無(wú)人機(jī)GNC軟件的開(kāi)發(fā)過(guò)程非常關(guān)鍵。通過(guò)HIL環(huán)境，工程師可以在一個(gè)可控的仿真環(huán)境中對(duì)無(wú)人機(jī)軟件進(jìn)行測(cè)試。同時(shí)，它也能加速設(shè)計(jì)，縮短開(kāi)發(fā)周期。

　　通過(guò)HIL環(huán)境，工程師可以發(fā)覺(jué)軟件仿真(主要是同步和定時(shí))中沒(méi)有出現(xiàn)的問(wèn)題，從而避免現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的故障，并增加無(wú)人機(jī)團(tuán)隊(duì)的安全性。

　　我們開(kāi)發(fā)了一個(gè)通用的HIL平臺(tái)來(lái)設(shè)計(jì)驗(yàn)證控制和導(dǎo)航算法。這個(gè)HIL測(cè)試環(huán)境完全集成在一個(gè)基于模型的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)周期中(見(jiàn)圖1)?！　?/p>

圖1 : HWIL測(cè)試環(huán)境示意圖

　　基于模型的開(kāi)發(fā)

　　首先我們?cè)O(shè)計(jì)編改了無(wú)人機(jī)平臺(tái)，將其用于仿真，并將控制器和算法部署至硬件中。

　　我們根據(jù)基于模型的設(shè)計(jì)理念來(lái)完成這個(gè)任務(wù)。對(duì)于系統(tǒng)設(shè)計(jì)和仿真來(lái)說(shuō)這是一個(gè)可靠方便的方法。使用代碼自動(dòng)生成工具可以使我們減少設(shè)計(jì)時(shí)間，輕松完成對(duì)于測(cè)試架構(gòu)的重復(fù)利用，以及快速系統(tǒng)原型，從而形成一個(gè)連續(xù)的確認(rèn)和驗(yàn)證過(guò)程。

　　構(gòu)架的目的包括：在不同的硬件平臺(tái)上不用任何改變即可對(duì)模型重復(fù)利用;對(duì)設(shè)計(jì)測(cè)試套件模型進(jìn)行重復(fù)使用以驗(yàn)證目標(biāo)系統(tǒng);將透明模型完全集成到目標(biāo)硬件中，并創(chuàng)建一個(gè)系統(tǒng)的，快速的流程，將自動(dòng)生成的代碼集成到目標(biāo)硬件，從而使得控制工程師無(wú)需軟件工程師的參與，即可以快速測(cè)試模型(見(jiàn)圖2)。對(duì)于這個(gè)項(xiàng)目，我們使用Simulink^®公司的MathWorks軟件(我們還使用了Esterel Technologies公司的SCADE套件)開(kāi)發(fā)了模型任務(wù)，并使用MathWorks和Real-Time Workshop^®公司的軟件實(shí)現(xiàn)自動(dòng)編碼。我們需要兩次不同的編改：在無(wú)人機(jī)中進(jìn)行測(cè)試及執(zhí)行的算法是由ANSI C代碼編寫(xiě)的，仿真無(wú)人機(jī)動(dòng)態(tài)行為的數(shù)學(xué)模型將通過(guò)LabVIEW仿真接口工具包轉(zhuǎn)換至NI LabVIEW軟件動(dòng)態(tài)庫(kù)中?！　?/p>

圖2: 基于模型的開(kāi)發(fā)流程

　　在最終的系統(tǒng)中，我們使用多個(gè)LabVIEW I/O模塊來(lái)仿真一些無(wú)人機(jī)航空電子和邏輯傳感器以及激勵(lì)器接口。

　　LabVIEW Real-Time PXI

　　PXI 是一個(gè)基于PC的平臺(tái)，可用于測(cè)試，測(cè)量和控制，能夠在不同的接口和總線中提供高帶寬和超低的執(zhí)行延時(shí)。在這個(gè)案例中，PXI需要在一個(gè)復(fù)雜的無(wú)人機(jī)模型中運(yùn)行，該模型會(huì)在實(shí)時(shí)中以動(dòng)態(tài)庫(kù)的形式被執(zhí)行。 在系統(tǒng)中使用PXI模塊能讓我們使用無(wú)人機(jī)上完全一樣的接口進(jìn)行HIL仿真。所以，我們會(huì)以現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)完全相同的配置驗(yàn)證GNC算法處理單元。這對(duì)于一些使用純仿真不足以捕捉所有硬件相關(guān)問(wèn)題(例如信號(hào)噪音，錯(cuò)誤和同步問(wèn)題)的系統(tǒng)來(lái)說(shuō)是十分重要的。