無人機(jī)飛行控制系統(tǒng)地面仿真平臺設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

摘要：為滿足無人機(jī)控制律參數(shù)調(diào)節(jié)及后期控制策略優(yōu)化的需要，以某型無人機(jī)為應(yīng)用背景，提出了一種無人機(jī)飛行控制系統(tǒng)地面仿真平臺的設(shè)計(jì)方案。首先分析了該平臺的總體設(shè)計(jì)方案，然后介紹了主要分系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，最后給出界面顯示和半物理仿真結(jié)果。半物理仿真結(jié)果表明：該平臺設(shè)計(jì)合理，具有一定的工程價值。
關(guān)鍵詞：無人機(jī)飛行控制系統(tǒng)；總體方案；分系統(tǒng)；仿真平臺；界面顯示

無人機(jī)的用途日漸廣泛，功能日趨完善，其飛行控制系統(tǒng)逐漸復(fù)雜，不確定因素也越來越多。飛行控制系統(tǒng)作為無人機(jī)的核心，對無人機(jī)安全飛行、有效完成任務(wù)具有著及舉足輕重的作用，為確?？刂栖浖目煽啃?，需要建立相應(yīng)仿真系統(tǒng)對其進(jìn)行驗(yàn)證。
無人機(jī)飛行控制仿真目前主要包括數(shù)字仿真和半物理仿真。半物理仿真將系統(tǒng)部分實(shí)物引入仿真回路，盡可能真實(shí)模擬現(xiàn)場情況，較數(shù)字仿真更能有效驗(yàn)證飛行控制系統(tǒng)的可靠性，尤其在初期試飛調(diào)參及后期控制策略改進(jìn)階段，應(yīng)用廣泛。
文中利用現(xiàn)有的工程化輔助工具，建立無人機(jī)飛控設(shè)計(jì)與仿真試驗(yàn)平臺，可用于無人飛行器的建模、飛行控制系統(tǒng)研究和開發(fā)、工程實(shí)現(xiàn)、半實(shí)物仿真和飛行試驗(yàn)各個階段。

1 總體方案
以標(biāo)準(zhǔn)化體系結(jié)構(gòu)為標(biāo)準(zhǔn)，利用計(jì)算機(jī)技術(shù)和工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)總線技術(shù)，構(gòu)建高性能飛行實(shí)時仿真系統(tǒng)，以滿足可靠性、可用性和易維護(hù)性要求。同時，作為先進(jìn)飛行控制系統(tǒng)和航空電子關(guān)鍵技術(shù)的驗(yàn)證平臺，還要滿足系統(tǒng)的模塊通用性、資源的可配置、可重構(gòu)和可測試性。
將飛行仿真計(jì)算機(jī)、地面測控計(jì)算機(jī)、飛行控制計(jì)算機(jī)、慣性導(dǎo)航、三軸模擬轉(zhuǎn)臺、負(fù)載模擬器及執(zhí)行舵機(jī)等單元閉環(huán)連接，構(gòu)成半物理仿真系統(tǒng)，如圖1所示。

如上圖所示地面仿真系統(tǒng)配置舵機(jī)的測角裝置實(shí)時采樣驗(yàn)證機(jī)的舵面運(yùn)動信號，通過仿真計(jì)算機(jī)解算驗(yàn)證機(jī)空中的飛行運(yùn)動特性，產(chǎn)生轉(zhuǎn)臺運(yùn)動的激勵信號，仿真計(jì)算機(jī)將此信號通過串口通訊傳給轉(zhuǎn)臺控制柜，控制轉(zhuǎn)臺模擬飛行器姿態(tài)變化，由于慣性導(dǎo)航裝置安裝在轉(zhuǎn)臺上，慣性導(dǎo)航裝置將感受到的信號傳給飛控計(jì)算機(jī)，飛控計(jì)算機(jī)根據(jù)控制律對當(dāng)前的狀態(tài)進(jìn)行控制，并將解算出的姿態(tài)信號、飛行數(shù)據(jù)等經(jīng)變換后傳給舵機(jī)，舵機(jī)產(chǎn)生動作，舵機(jī)測角裝置將測到的角度通過轉(zhuǎn)化通過并口傳給仿真計(jì)算機(jī)，從而形成閉環(huán)控制。

2 主要分系統(tǒng)設(shè)計(jì)
2．1 無人機(jī)仿真系統(tǒng)
人機(jī)仿真系統(tǒng)是整個半物理仿真系統(tǒng)的一個主要部分，它的計(jì)算任務(wù)繁重，與其它分系統(tǒng)的關(guān)系密切，輸入／輸出參數(shù)量大。
仿真計(jì)算機(jī)采用臺灣研華公司的工控機(jī)，研華ADAM562V主板，CPU為PⅣ3．0G，DDR／2G內(nèi)存，250G硬盤，128M獨(dú)立顯卡，19英寸LCD顯示器，并配有型號為PCLS-711的模擬輸入接口板卡。型號為PCIS-722的數(shù)字接口。
無人機(jī)數(shù)學(xué)模型為六自由度非線性全量運(yùn)動方程，具有高階多變量非線性時變特性。仿真軟件用四元數(shù)計(jì)算姿態(tài)角，四階龍格庫塔法解算動力學(xué)微分方程。飛行仿真系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型非常復(fù)雜，為使軟件邏輯清楚、界面清晰，需要進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)，按照模塊化建模的思想，將動力學(xué)模型分解為氣動系數(shù)模塊、發(fā)動機(jī)模塊、風(fēng)擾模塊、大氣模塊、初始化配平模塊、串口通訊模塊、多媒體時鐘模塊、繪圖模塊、加速度計(jì)、陀螺誤差模擬模塊、負(fù)載計(jì)算模塊和無人機(jī)動力學(xué)方程模塊，各模塊之間的信息傳遞關(guān)系如圖2所示。

2．2 無人機(jī)飛行控制系統(tǒng)
飛行控制系統(tǒng)是整個系統(tǒng)的核心，它負(fù)責(zé)著系統(tǒng)數(shù)據(jù)的采集、余度管理和控制律的計(jì)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，該芯片是一款TMS320C28X系列浮點(diǎn)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(diǎn)，并具有TI公司所開發(fā)的功能強(qiáng)大的CCS軟件平臺。
飛控軟件按照軟件T程設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，采用模塊化結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，使用C語言編程。軟件主要由初始化模塊、核心管理模塊、自主導(dǎo)航模塊、遙控遙測模塊、容錯模塊和輸出模塊等組成。其系統(tǒng)圖如圖3所示。

在上圖中初始化模塊完成系統(tǒng)軟、硬件的初始化以及參數(shù)的設(shè)置，完成主板、AD／DA和串口等硬件設(shè)備的初始化以及中斷設(shè)置等；遙控遙測模塊接收并執(zhí)行地面指令以及發(fā)送遙測數(shù)據(jù)；起飛和著陸模塊分別控制無人機(jī)的起飛和著陸；自主導(dǎo)航用來對無人機(jī)進(jìn)行按航路自主導(dǎo)航；定時與中斷處理模塊完成與時間有關(guān)的周期性任務(wù)和中斷管理等。
2．3 無人機(jī)地面測控系統(tǒng)
無人機(jī)測控系統(tǒng)主要用于傳輸?shù)孛娌倏v人員的指令，用于傳送無人機(jī)的狀態(tài)參數(shù)、位置坐標(biāo)等信息給地面站，實(shí)時顯示無人機(jī)的飛行參數(shù)、飛行姿態(tài)、航向和航跡，還可以對飛行數(shù)據(jù)進(jìn)行保存和回放。
無人機(jī)地面測控系統(tǒng)由測控計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)，測控計(jì)算機(jī)的主板為研華ADAM-562V，測控汁算機(jī)是在Windows環(huán)境下運(yùn)行的計(jì)算機(jī)，操縱桿通過USB接口接入測控計(jì)算機(jī)，RS232為標(biāo)準(zhǔn)通訊接口，將鍵盤介入板卡上，輸出接至顯示器，這部分實(shí)現(xiàn)了離散指令的輸入和輸出；將操縱桿接到PC機(jī)上，完成連續(xù)指令的輸入和輸出。
對于實(shí)時飛行控制的相關(guān)功能來說，最重要的是保證對無人機(jī)飛行控制操作的準(zhǔn)確性與實(shí)時性，這就需要設(shè)計(jì)一種盡可能簡單直觀、便于地面操作人員操作的人機(jī)交互界面。本測控軟件采用Windows 2000操作系統(tǒng)，以VC++6．0為開發(fā)環(huán)境，利用MFC，使用自頂向下的設(shè)計(jì)方法，將程序從系統(tǒng)架構(gòu)上劃分為3個層次，6個子模塊來進(jìn)行開發(fā)。如圖4所示。

在測控軟件中，輸入模塊負(fù)責(zé)響應(yīng)和處理地面操縱人員的各種操作，飛行控制模塊根據(jù)地面操縱人員的輸入組織遙控指令幀序列，調(diào)用通訊模塊的接口向機(jī)載系統(tǒng)發(fā)送遙控指令幀，飛行狀態(tài)監(jiān)測模塊負(fù)責(zé)從數(shù)據(jù)存儲模塊讀取并分析遙測幀數(shù)據(jù)，向圖形顯示模塊提供飛行狀態(tài)以及遙測數(shù)據(jù)分析結(jié)果。數(shù)據(jù)存儲與維護(hù)模塊既存儲從通訊模塊獲取的遙測幀數(shù)據(jù)，也記錄測控計(jì)算機(jī)發(fā)送的遙控指令幀，同時提供讀寫接口以供其他模塊調(diào)用。通信模塊主要負(fù)責(zé)各個模塊間的數(shù)據(jù)和指令傳輸，顯示模塊用于顯示無人機(jī)的飛行狀態(tài)、遙測數(shù)據(jù)及參數(shù)曲線。

3 半物理仿真界面顯示
3．1 仿真軟件界面顯示
仿真軟件主要用來飛行器動力學(xué)解算，即實(shí)現(xiàn)飛行器飛行動力學(xué)的實(shí)時數(shù)字仿真運(yùn)算，按照模塊化設(shè)計(jì)思想，在VC++6．0的環(huán)境下，基于MFC，設(shè)計(jì)界面如圖5所示。

在該界面中顯示自主飛行時的航跡、高度、飛行參數(shù)和姿態(tài)變化的曲線，也可以用來航跡加載，設(shè)計(jì)滿足了要求。
3．2 半物理仿真試驗(yàn)
在無人機(jī)飛行控制系統(tǒng)的研究與研制過程中，半實(shí)物仿真占據(jù)了較大的試驗(yàn)內(nèi)容。如圖1所示的系統(tǒng)圖，將各個分系統(tǒng)按照正確的方式連接起來，操作步驟如圖6所示。

無人機(jī)自主飛行航跡如圖7所示。

由圖7可知，無人機(jī)能夠按照預(yù)設(shè)的航跡自主飛行，整個過程中，直線段部分，無人機(jī)航跡偏距較小，在轉(zhuǎn)彎部分，偏距較大些，但是偏距在誤差范圍內(nèi)，在第8個航點(diǎn)時，無人饑完成自主飛行任務(wù)，自主降落。半物理仿真試驗(yàn)表明：該仿真平臺可行，具有一定的工程應(yīng)用價值。

4 結(jié)束語
文中所提及的無人機(jī)飛行控制系統(tǒng)地面仿真平臺已做成成品，并且具備無人機(jī)進(jìn)行飛行狀態(tài)人工引導(dǎo)飛行和自主飛行全過程物理仿真試驗(yàn)、檢驗(yàn)無人機(jī)飛行控制系統(tǒng)技術(shù)可行性的功能，為以后無人機(jī)的研究奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。