某無(wú)人機(jī)飛控系統(tǒng)半實(shí)物仿真平臺(tái)設(shè)計(jì)

摘要：介紹了某型無(wú)人機(jī)飛控系統(tǒng)半實(shí)物仿真平臺(tái)的總體功能，闡述了該平臺(tái)的硬件選型原則、選型方案、基本功能及自制部件的設(shè)計(jì)過(guò)程，對(duì)各分系統(tǒng)仿真軟件設(shè)計(jì)框架進(jìn)行了描述。最后，通過(guò)實(shí)際仿真對(duì)平臺(tái)的設(shè)計(jì)功能進(jìn)行了驗(yàn)證。該平臺(tái)也可用于對(duì)無(wú)人機(jī)飛行品質(zhì)的仿真評(píng)估，以及無(wú)人機(jī)指揮操控人員的日常模擬訓(xùn)練。
關(guān)鍵詞：無(wú)人機(jī)；飛行控制系統(tǒng)；半實(shí)物仿真；傳感器仿真

0 引言
無(wú)人機(jī)作為模擬飛機(jī)類(lèi)來(lái)襲目標(biāo)，可為防空武器系統(tǒng)的火控雷達(dá)校飛、射擊等任務(wù)提供空中靶標(biāo)，是武器系統(tǒng)研制、鑒定過(guò)程中必不可少的裝備。作為無(wú)人機(jī)的核心組成部分之一，飛控系統(tǒng)通過(guò)控制無(wú)人機(jī)的姿態(tài)，從而完成無(wú)人機(jī)各種模態(tài)下的飛行任務(wù)。某無(wú)人機(jī)飛控系統(tǒng)現(xiàn)有的測(cè)試方法包括分立部件測(cè)試和部件裝機(jī)后的整機(jī)綜合測(cè)試。兩種方法均屬于常規(guī)的靜態(tài)測(cè)試，組織實(shí)施復(fù)雜、測(cè)試效率較低、任務(wù)準(zhǔn)備周期長(zhǎng)，而且對(duì)于無(wú)人機(jī)實(shí)際飛行過(guò)程的動(dòng)態(tài)性能無(wú)法驗(yàn)證，對(duì)測(cè)試中出現(xiàn)的故障難以定位，對(duì)于飛行中的環(huán)境干擾因素(主要是風(fēng)干擾)和傳感器失效后無(wú)人機(jī)的飛行情況也無(wú)法模擬，從而無(wú)法有針對(duì)性的進(jìn)行飛行控制策略修正。綜上問(wèn)題，研制一套無(wú)人機(jī)飛控系統(tǒng)半物理仿真平臺(tái)的任務(wù)顯得尤為迫切。

1 平臺(tái)總體功能及設(shè)計(jì)方案
1．1 平臺(tái)總體功能
該平臺(tái)以現(xiàn)有某型無(wú)人機(jī)飛控系統(tǒng)為測(cè)試對(duì)象，主要完成以下功能：
(1)與無(wú)人機(jī)飛控計(jì)算機(jī)和電動(dòng)舵機(jī)、油門(mén)電機(jī)等實(shí)物結(jié)合，完成飛控系統(tǒng)的仿真測(cè)試；
(2)具備風(fēng)干擾、力矩干擾條件下的飛行性能模擬，并以二維曲線方式實(shí)時(shí)顯示無(wú)人機(jī)的飛行航跡、舵偏角、舵偏角速率等變化情況；
(3)能夠進(jìn)行無(wú)人機(jī)飛控系統(tǒng)部分傳感器的故障設(shè)置，進(jìn)行故障情況下的飛行模態(tài)仿真。
1．2 平臺(tái)總體設(shè)計(jì)方案
半物理仿真平臺(tái)由硬件設(shè)備和應(yīng)用軟件兩部分組成。硬件設(shè)備包括新建的飛行系統(tǒng)模擬分系統(tǒng)、傳感器與機(jī)載測(cè)控模擬分系統(tǒng)、遙控／遙測(cè)模擬分系統(tǒng)、指揮顯示分系統(tǒng)、無(wú)人機(jī)外形顯示分系統(tǒng)，以及現(xiàn)有的飛控計(jì)算機(jī)、飛控計(jì)算機(jī)接口箱、電動(dòng)舵機(jī)、油門(mén)電機(jī)等實(shí)物。應(yīng)用軟件包括新建各分系統(tǒng)的應(yīng)用程序。半物理仿真平臺(tái)的原理組成框圖如圖1所示。

半物理仿真平臺(tái)的工作原理概況如下：傳感器與機(jī)載測(cè)控模擬分系統(tǒng)通過(guò)接口箱與飛控計(jì)算機(jī)交換無(wú)人機(jī)的舵偏角、角速率、油門(mén)開(kāi)度、遙控指令、外部干擾等信息，并向飛行系統(tǒng)模擬分系統(tǒng)傳輸采樣轉(zhuǎn)換后的飛控計(jì)算機(jī)執(zhí)行結(jié)果，向遙控／遙測(cè)模擬分系統(tǒng)傳輸遙測(cè)信息(包括傳感器與機(jī)載測(cè)控模擬設(shè)備的仿真數(shù)據(jù)、故障狀態(tài)、遙控指令回令等)。飛控計(jì)算機(jī)將接收到信息進(jìn)行解算處理后，控制電動(dòng)舵機(jī)、油門(mén)電機(jī)執(zhí)行相應(yīng)動(dòng)作，并將執(zhí)行結(jié)果返回至傳感器與機(jī)載測(cè)控模擬分系統(tǒng)。飛行系統(tǒng)模擬分系統(tǒng)將解算后的飛機(jī)狀態(tài)參數(shù)送到無(wú)人機(jī)外形顯示分系統(tǒng)，解算后以三維動(dòng)畫(huà)的形式顯示無(wú)人機(jī)的姿態(tài)、油門(mén)開(kāi)度、高度變化等信息。指揮顯示分系統(tǒng)將收到的無(wú)人機(jī)位置、高度、速度信息在數(shù)字地圖上顯示，適時(shí)發(fā)出指揮口令，由操作手干擾無(wú)人機(jī)的飛行。無(wú)人機(jī)的三維外形、測(cè)控?cái)?shù)據(jù)、指揮顯示界面通過(guò)KVM切換器分時(shí)在投影幕上顯示。

2 平臺(tái)硬件設(shè)計(jì)方案
2．1 平臺(tái)硬件選型原則
(1)應(yīng)用軟件運(yùn)行平臺(tái)選擇原則
由于該平臺(tái)屬于固定式測(cè)試設(shè)備，因此在各分系統(tǒng)應(yīng)用軟件運(yùn)行平臺(tái)的硬件應(yīng)盡量采用機(jī)架式工控機(jī)或臺(tái)式計(jì)算機(jī)，主板插槽的數(shù)量和類(lèi)型應(yīng)相對(duì)充裕，以便于現(xiàn)有硬件板卡的安裝和平臺(tái)的后續(xù)功能拓展。
(2)數(shù)據(jù)采集卡的選型原則：一是保證通道數(shù)；二是保證采樣頻率；三是保證數(shù)據(jù)分辨率。
2．2 平臺(tái)硬件選擇方案
(1)傳感器與機(jī)載測(cè)控模擬分系統(tǒng)
該分系統(tǒng)包括了大量的信號(hào)采集、交換及處理任務(wù)，硬件采用工控機(jī)架構(gòu)。配置數(shù)據(jù)采集卡、多串口卡以及自研的信號(hào)調(diào)理卡，完成數(shù)據(jù)采集與信息交換。
具體硬件型號(hào)和基本參數(shù)為：
工控機(jī)選用西門(mén)子547B：64位CPU處理器，4個(gè)PCI插槽，1個(gè)PCI-Ex16圖形擴(kuò)展接口。
多串口卡選用MOXA CP 118U：4路RS 232／422／485 PCI串口，串口通信速率為921．6 Kb／s；板載1 5 kVESD突波保護(hù)。
D／A卡選用NI PCI-6733：8路D／A，數(shù)據(jù)更新速率1 MS／s(16b)，8路數(shù)寧I／O。
A／D卡選用NI PCIe-6259：4路D／A，數(shù)據(jù)更新速率為1 Ms／s(16 b)，32路A／D通道數(shù)；A／D采樣速率為2．8 MS／s(16 b)，48路數(shù)字I／O。
DIO卡選用NI PCIe-6503：24路數(shù)字I／O。
(2)飛行系統(tǒng)模擬分系統(tǒng)、遙控／遙測(cè)模擬分系統(tǒng)
這兩個(gè)分系統(tǒng)主要是進(jìn)行無(wú)人機(jī)和測(cè)控?cái)?shù)據(jù)的傳輸和解算，其硬件組成比較簡(jiǎn)單，選用帶有多種類(lèi)型主板插槽的普通商用臺(tái)式計(jì)算機(jī)即可，配置MOXA CP118U多串口卡。
(3)指揮顯示分系統(tǒng)、無(wú)人機(jī)外形顯示分系統(tǒng)
這兩個(gè)分系統(tǒng)主要是進(jìn)行指揮、顯示應(yīng)用軟件的運(yùn)行，選用帶有多種類(lèi)型主板插槽的普通商用臺(tái)式計(jì)算機(jī)即可。
2．3 自制信號(hào)調(diào)理卡設(shè)計(jì)
傳感器與機(jī)載測(cè)控模擬分系統(tǒng)與遙控／遙測(cè)模擬分系統(tǒng)、飛行系統(tǒng)模擬分系統(tǒng)、飛控計(jì)算機(jī)接口箱等部分進(jìn)行數(shù)據(jù)交換時(shí)，通過(guò)D／A，A／D，DIO板卡完成信號(hào)轉(zhuǎn)換時(shí)，會(huì)受到機(jī)箱內(nèi)復(fù)雜電磁環(huán)境的影響，導(dǎo)致輸出信號(hào)帶有很強(qiáng)的噪聲，需要對(duì)其進(jìn)行濾波處理。另外，由于飛控計(jì)算機(jī)接口箱輸入輸出電壓均為+27 V，而D／A，A／D，DIO板卡工作電壓均為+5 V，因此還需要設(shè)計(jì)信號(hào)調(diào)理卡完成信號(hào)濾波和工作電壓的轉(zhuǎn)換。信號(hào)調(diào)理卡與外部部件連接示意圖如圖2所示。