【信息科學(xué)與控制工程】

某型無(wú)人機(jī)全機(jī)仿真平臺(tái)設(shè)計(jì)

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(wú)人機(jī)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(dòng)力控制系統(tǒng)研究所，江蘇 無(wú)錫210063)

摘要：無(wú)人機(jī)控制系統(tǒng)仿真是驗(yàn)證無(wú)人機(jī)控制策略、故障診斷和優(yōu)化航線等的主要方式。針對(duì)某型無(wú)人機(jī)的研制需求，分析了無(wú)人機(jī)仿真系統(tǒng)的原理和仿真信息的傳遞機(jī)制，提出并設(shè)計(jì)了基于全機(jī)仿真的無(wú)人機(jī)飛行控制仿真平臺(tái)，包括：仿真計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、飛行控制系統(tǒng)、地面測(cè)控系統(tǒng)和視景模擬系統(tǒng)。并將此仿真平臺(tái)應(yīng)用于某型無(wú)人機(jī)飛行控制系統(tǒng)的全機(jī)仿真試驗(yàn)中，試驗(yàn)和測(cè)試結(jié)果表明：該仿真平臺(tái)設(shè)計(jì)合理并滿足飛行仿真要求，具有一定的工程應(yīng)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：無(wú)人機(jī)；仿真平臺(tái)；分系統(tǒng)；軟件設(shè)計(jì)

收稿日期：2014-11-02

作者簡(jiǎn)介：路引(1988—)，男，碩士，實(shí)習(xí)研究員，主要從事無(wú)人機(jī)飛行力學(xué)與飛行控制研究。

doi:10.11809/scbgxb2015.05.032

中圖分類號(hào)：V279+.2；TJ8

文章編號(hào)：1006-0707(2015)05-0123-04

本文引用格式：路引，郭昱津，浦黃忠，等.某型無(wú)人機(jī)全機(jī)仿真平臺(tái)設(shè)計(jì)[J].四川兵工學(xué)報(bào)，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(wú)人機(jī)控制系統(tǒng)仿真主要為無(wú)人機(jī)設(shè)計(jì)和控制策略研究提供飛行試驗(yàn)平臺(tái)。在無(wú)人機(jī)的設(shè)計(jì)、研制和使用過(guò)程中，無(wú)人機(jī)飛行控制系統(tǒng)的半物理仿真作為飛行前和飛行后的實(shí)時(shí)過(guò)程模擬是一個(gè)重要的性能評(píng)估手段和故障的再現(xiàn)手段[1]。針對(duì)某型無(wú)人機(jī)飛行控制系統(tǒng)地面半實(shí)物仿真系統(tǒng)的要求，設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)了基于全機(jī)仿真的無(wú)人機(jī)飛行控制仿真系統(tǒng)試驗(yàn)平臺(tái)，全機(jī)仿真是建立在半物理仿真基礎(chǔ)上的全機(jī)系統(tǒng)檢測(cè)，將飛控和航電系統(tǒng)的全部實(shí)物都安裝在無(wú)人機(jī)的機(jī)身內(nèi)，與飛行過(guò)程中的裝機(jī)條件完全一致，將無(wú)人機(jī)放置在三自由度的仿真轉(zhuǎn)臺(tái)上，建立合適的無(wú)人機(jī)仿真模型，進(jìn)行包括傳感器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)(伺服舵機(jī))、機(jī)載航電系統(tǒng)在內(nèi)的實(shí)物在回路仿真[2]。

1仿真系統(tǒng)原理

無(wú)人機(jī)全機(jī)仿真系統(tǒng)由無(wú)人機(jī)整機(jī)系統(tǒng)、飛行動(dòng)力學(xué)仿真計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、地面測(cè)控計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、視景模

擬計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、數(shù)據(jù)電臺(tái)、舵機(jī)測(cè)角裝置和三自由度姿態(tài)運(yùn)動(dòng)模擬平臺(tái)等組成，其系統(tǒng)組成如圖1所示。

慣導(dǎo)測(cè)量組件、飛控計(jì)算機(jī)、伺服舵機(jī)等均為無(wú)人機(jī)真實(shí)飛行時(shí)的機(jī)載設(shè)備，無(wú)人機(jī)整機(jī)安裝在三自由度姿態(tài)模擬轉(zhuǎn)臺(tái)上。三自由度模擬轉(zhuǎn)臺(tái)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(jì)算機(jī)系統(tǒng)、飛行動(dòng)力學(xué)數(shù)學(xué)模型、舵機(jī)測(cè)角裝置、操縱與控制裝置一起構(gòu)成無(wú)人機(jī)的地面飛行過(guò)程實(shí)時(shí)仿真回路。操縱員通過(guò)操縱控制裝置操縱與控制無(wú)人機(jī)的飛行過(guò)程，通過(guò)仿真控制和管理計(jì)算機(jī)監(jiān)測(cè)無(wú)人機(jī)飛行狀態(tài)，并通過(guò)視景計(jì)算機(jī)系統(tǒng)模擬的真實(shí)飛行場(chǎng)景觀測(cè)無(wú)人機(jī)飛行[3]。

三自由度模擬轉(zhuǎn)臺(tái)激勵(lì)慣導(dǎo)裝置，慣導(dǎo)信息作為飛控計(jì)算機(jī)的輸入，經(jīng)過(guò)控制解算驅(qū)動(dòng)舵機(jī)運(yùn)動(dòng)，舵機(jī)測(cè)角裝置實(shí)時(shí)采樣驗(yàn)證飛機(jī)的舵面運(yùn)動(dòng)信號(hào)，通過(guò)仿真計(jì)算機(jī)解算驗(yàn)證無(wú)人機(jī)空中的飛行運(yùn)動(dòng)特性，產(chǎn)生轉(zhuǎn)臺(tái)運(yùn)動(dòng)的激勵(lì)信號(hào)，從而形成閉環(huán)仿真回路。

圖1　無(wú)人機(jī)仿真系統(tǒng)原理框圖

2仿真信息傳遞機(jī)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(wú)線通訊等[4]。

無(wú)人機(jī)跟地面測(cè)控系統(tǒng)的實(shí)時(shí)通訊主要利用地面無(wú)線數(shù)據(jù)電臺(tái)完成上行和下行數(shù)據(jù)傳輸。通過(guò)分別設(shè)置信道上、下的工作頻率，采用機(jī)載天線完成機(jī)載遙測(cè)信號(hào)的接收和遙控指令的發(fā)送。全雙工電臺(tái)作為測(cè)控鏈路使用時(shí)，收發(fā)可以同時(shí)進(jìn)行。電臺(tái)波特率為19 200 bps，數(shù)據(jù)位8位，無(wú)校驗(yàn)位，上行每幀長(zhǎng)為18 Byte。下行幀長(zhǎng)48 Byte，采用主副幀結(jié)構(gòu)，主幀40 Byte，副幀8 Byte。

機(jī)上飛控系統(tǒng)仿真主要由飛控計(jì)算機(jī)的舵偏信號(hào)經(jīng)物理接口轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)驅(qū)動(dòng)舵機(jī)偏轉(zhuǎn)，舵機(jī)測(cè)角裝置由碼盤測(cè)得實(shí)時(shí)舵面偏角由7122并口卡采集轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，仿真計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)接收偏角信號(hào)并通過(guò)動(dòng)力學(xué)模型解算，計(jì)算出的姿態(tài)角信號(hào)由光纖傳輸?shù)睫D(zhuǎn)臺(tái)控制計(jì)算機(jī)，信號(hào)經(jīng)物理接口功率放大驅(qū)動(dòng)三自由度模擬轉(zhuǎn)臺(tái)運(yùn)動(dòng)，轉(zhuǎn)臺(tái)帶動(dòng)無(wú)人機(jī)上慣導(dǎo)和陀螺裝置運(yùn)動(dòng)，信號(hào)由RS232串口送入飛控計(jì)算機(jī)，從而實(shí)現(xiàn)了各仿真效應(yīng)設(shè)備和無(wú)人機(jī)之間的閉環(huán)信息傳遞。同時(shí)，由飛控計(jì)算機(jī)解算的飛行狀態(tài)信息由RS232串口傳輸?shù)綑C(jī)載無(wú)線數(shù)據(jù)電臺(tái)完成下行數(shù)據(jù)發(fā)送。

地面測(cè)控臺(tái)通過(guò)USB接入操縱與地面控制裝置，并實(shí)時(shí)將控制信息由RS232串口傳輸?shù)揭暰坝?jì)算機(jī)和地面無(wú)線數(shù)據(jù)電臺(tái)，實(shí)現(xiàn)三維視景顯示和上行數(shù)據(jù)的發(fā)送。

為實(shí)現(xiàn)信號(hào)有效傳輸，各通訊方式都需要配備合適的接口卡。仿真計(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)需配置1個(gè)USB接口和2個(gè)獨(dú)立RS232串口。轉(zhuǎn)臺(tái)控制計(jì)算機(jī)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(tái)分系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1仿真計(jì)算機(jī)系統(tǒng)

對(duì)仿真計(jì)算機(jī)主要有4方面的要求：速度、精度、靈活性和經(jīng)濟(jì)性。由于本仿真平臺(tái)要求實(shí)時(shí)承擔(dān)飛行動(dòng)力學(xué)方程的求解和各種實(shí)際飛行環(huán)境的模擬，所以對(duì)速度的要求很高[5-6]。另外，仿真計(jì)算機(jī)要與其他外部物理效應(yīng)設(shè)備進(jìn)行通訊，進(jìn)行信號(hào)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(kāi)關(guān)量的傳遞。為了實(shí)現(xiàn)功能的擴(kuò)展，仿真計(jì)算機(jī)選用臺(tái)灣研華工控公司的高檔工業(yè)控制計(jì)算機(jī)。

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(gè)對(duì)話框。其中，仿真參數(shù)對(duì)話框包括仿真數(shù)據(jù)顯示、動(dòng)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(duì)話框主要設(shè)置飛機(jī)的起飛點(diǎn)、切點(diǎn)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(gè)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(jì)算等重要任務(wù)，該地面仿真平臺(tái)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(jì)算機(jī)的處理器芯片[7]。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(chǔ)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(kāi)發(fā)的功能強(qiáng)大的CCS軟件平臺(tái)。

飛行控制軟件按照軟件工程設(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(yǔ)言編程。飛行控制軟件按功能可分為4個(gè)部分，如圖3所示，分別為傳感器信號(hào)采集模塊、控制律解算模塊、控制信號(hào)輸出模塊以及無(wú)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(gè)模塊獨(dú)立封裝。當(dāng)某個(gè)模塊性能和參數(shù)需要調(diào)整時(shí)，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(cè)控系統(tǒng)

選擇研華工業(yè)控制計(jì)算機(jī)作為地面測(cè)控系統(tǒng)的測(cè)控計(jì)算機(jī)。地面測(cè)控軟件采用 VC++6.0 開(kāi)發(fā)，采用 Windows 可視化編程技術(shù)實(shí)現(xiàn)[8]，仿真系統(tǒng)中，實(shí)時(shí)遙控遙測(cè)軟件需具有以下功能：

1) 在無(wú)人機(jī)的飛行過(guò)程中，實(shí)現(xiàn)地面操縱者的控制指令的上行發(fā)送和遙測(cè)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)下行接收；

2) 實(shí)現(xiàn)飛行參數(shù)的實(shí)時(shí)顯示，并可完成過(guò)程曲線的實(shí)時(shí)繪制；

3) 實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互界面和無(wú)人機(jī)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(tái)。

根據(jù)軟件所要完成功能的要求，在VC++開(kāi)發(fā)平臺(tái)下，采用模塊化的思想對(duì)軟件進(jìn)行總體設(shè)計(jì)。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(chǔ)3個(gè)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(cè)和窗口刷新3個(gè)模塊，其系統(tǒng)圖如圖5所示。

圖4　遙控遙測(cè)軟件功能模塊

圖5　遙控遙測(cè)軟件數(shù)據(jù)模塊

實(shí)時(shí)遙控遙測(cè)軟件是操縱人員跟無(wú)人機(jī)交互的重要窗口，必須具備友好的人機(jī)交互能力。軟件設(shè)計(jì)了基于NI Mesaurement Studio AppWizard的友好界面，如圖6所示。

圖6　實(shí)時(shí)遙控遙測(cè)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(jī)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(shí)時(shí)監(jiān)控飛機(jī)的飛行狀態(tài)。右側(cè)中部分是遙測(cè)指令，分為指令盤和操縱桿2個(gè)部分，操縱人員可以通過(guò)指令盤或者操縱桿改變飛機(jī)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(dòng)就可以使用。右側(cè)下部分是GPS傳感器、遙控遙測(cè)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(cè)飛機(jī)上重要機(jī)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(shí)器的周期為100ms。每次定時(shí)中斷到來(lái)時(shí)，對(duì)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(gè)重要的組成部分，為操控員提供了實(shí)際飛行任務(wù)中的虛擬環(huán)境。其主要利用三維動(dòng)畫(huà)建模軟件和視景仿真軟件，生成模型機(jī)飛行的模擬影像和外部的環(huán)境景象[9-10]。視景模擬計(jì)算機(jī)通過(guò)RS232串口從地面測(cè)控計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)接收模型機(jī)的飛行數(shù)據(jù)，即為模型機(jī)的動(dòng)作驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)，依據(jù)這些數(shù)據(jù)，使得模型機(jī)模擬真實(shí)飛機(jī)外場(chǎng)飛行。

實(shí)時(shí)視景系統(tǒng)需使用專門的工具軟件進(jìn)行開(kāi)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(jī)飛行仿真系統(tǒng)的視景模擬中將采用以VC++、OpenGL和MilkShape 3D為開(kāi)發(fā)工具，使用場(chǎng)景優(yōu)化和實(shí)時(shí)繪制技術(shù)實(shí)現(xiàn)飛行場(chǎng)景的模擬。利用OpenGL實(shí)現(xiàn)模型的變換、著色、紋理和動(dòng)畫(huà)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(duì)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(shì)，但是很難用程序進(jìn)行控制。因此，在OpenGL中實(shí)現(xiàn)對(duì)其程序控制和動(dòng)畫(huà)，將兩者有機(jī)地結(jié)合在一起使用，各取所長(zhǎng)是一種高效快捷的開(kāi)發(fā)方式，利用這2個(gè)軟件平臺(tái)開(kāi)發(fā)了該仿真系統(tǒng)的視景模擬軟件。主要實(shí)現(xiàn)步驟如下：

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

2) 利用OpenGL中的函數(shù)對(duì)無(wú)人機(jī)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(wú)人機(jī)模型。

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

4全機(jī)仿真試驗(yàn)

無(wú)人機(jī)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(diǎn)，無(wú)人機(jī)自主飛行時(shí)根據(jù)待飛航點(diǎn)沿預(yù)設(shè)航線飛行。

無(wú)人機(jī)飛行時(shí)，由測(cè)控臺(tái)發(fā)送起飛指令，無(wú)人機(jī)由航點(diǎn)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(diǎn)10開(kāi)始，返航，最終返回到航點(diǎn)15，結(jié)束一次完整的飛行任務(wù)。無(wú)人機(jī)仿真飛行軌跡如圖8所示。

圖7　無(wú)人機(jī)飛行預(yù)設(shè)航線

圖8　無(wú)人機(jī)飛行軌跡

5結(jié)束語(yǔ)

無(wú)人機(jī)全機(jī)仿真是無(wú)人機(jī)研制過(guò)程中的重要組成部分，根據(jù)某型無(wú)人機(jī)研制需求，提出了全機(jī)仿真試驗(yàn)平臺(tái)，測(cè)試和試驗(yàn)表明該平臺(tái)設(shè)計(jì)合理，達(dá)到了預(yù)期的目的，能夠很好地驗(yàn)證無(wú)人機(jī)飛行控制策略、故障診斷和優(yōu)化航線等。

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(責(zé)任編輯楊繼森)