鄭文華，劉　淵，余　婷，黃學(xué)進

(1.中航工業(yè)航空 動力控制系統(tǒng)研究所，江蘇 無錫　214063;2.南京航空航天大學(xué) 能源與動力學(xué)院，南京　210000)

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基于CompactRIO的四旋翼飛控實時仿真平臺設(shè)計

鄭文華1,2，劉淵2，余婷1，黃學(xué)進1

(1.中航工業(yè)航空 動力控制系統(tǒng)研究所，江蘇 無錫214063;2.南京航空航天大學(xué) 能源與動力學(xué)院，南京210000)

摘要：針對四旋翼無人機實時飛行控制系統(tǒng)的控制算法設(shè)計與參數(shù)整定，設(shè)計了一種基于CompactRIO的飛行控制系統(tǒng)實時仿真平臺，該平臺使用兩臺CompactRIO作為主控制器，分別在其嵌入式實時系統(tǒng)(VxWorks)中運行Simulink設(shè)計的無人機動力學(xué)模型與飛行控制系統(tǒng)模型，并使用LabVIEW開發(fā)PC上位機監(jiān)控程序，用于調(diào)整飛行狀態(tài)和整定控制參數(shù)；經(jīng)試驗證明，該平臺實用性強，可視化程度高，實時性好，能較好地對四旋翼飛控系統(tǒng)進行實時仿真驗證。

關(guān)鍵詞：四旋翼無人機； CompactRIO；實時仿真

0引言

四旋翼無人機是一種能夠垂直起降和自由懸停的多旋翼式遙控自主飛行器。它通過調(diào)整4個旋翼的轉(zhuǎn)速，對姿態(tài)和位置進行控制[1]。與常規(guī)旋翼式飛行器相比，其結(jié)構(gòu)更為緊湊，產(chǎn)生的升力更大，穩(wěn)定性也更好，飛行性能卓越，所以在很多領(lǐng)域內(nèi)有著廣闊的應(yīng)用前景[2-3]。然而，四旋翼飛行控制算法多種多樣，參數(shù)的調(diào)整也缺乏可視化的參考，目前多采用簡單的數(shù)字仿真。為了保證飛行安全，縮短算法開發(fā)周期，提高參數(shù)整定效率，確保飛行控制系統(tǒng)的準確性與實時性，急需構(gòu)建一個低成本高效率的飛控系統(tǒng)實時仿真平臺[4-5]。

本文利用CompactRIO實時運行飛行控制系統(tǒng)和四旋翼無人機數(shù)學(xué)模型，使用VeriStand軟件部署和設(shè)置模型，并用LabVIEW編寫可視化的參數(shù)設(shè)置與監(jiān)控上位機，搭建了四旋翼飛控系統(tǒng)實時仿真平臺，在該平臺上可以快速搭建四旋翼無人機原型，高效設(shè)計飛行控制系統(tǒng)算法，并對算法進行調(diào)試，整定控制參數(shù)，評估飛行性能，不僅減少了四旋翼無人機的開發(fā)成本，更提高了飛控系統(tǒng)的開發(fā)效率。

1仿真平臺總體架構(gòu)

在設(shè)計四旋翼飛控算法仿真平臺過程中，分析出該系統(tǒng)應(yīng)滿足如下基本功能：飛控算法開發(fā)速度快，可移植性強；飛控模型與無人機動力學(xué)模型實時性高；具備傳感器、旋翼等故障設(shè)置；仿真驗證可視化程度高等。同時，仿真平臺的軟硬件開發(fā)環(huán)境應(yīng)具有開放性，系統(tǒng)設(shè)計、軟件編程和算法驗證應(yīng)具有可擴展性，功能算法易于實現(xiàn)，便于后續(xù)開發(fā)人員對其進行二次開發(fā)。

基于以上飛控算法仿真平臺的需求與特點，該實時仿真平臺的設(shè)計流程為：建立四旋翼無人機飛行控制系統(tǒng)模型和四旋翼運動學(xué)動力學(xué)數(shù)學(xué)模型，并使用Simulink實現(xiàn)兩種模型，然后使用Simulink的Real-Time Workspace(RTW)工具包將模型編譯為CompactRIO中嵌入式系統(tǒng)可以調(diào)用的庫文件，并實現(xiàn)兩者之間的接口函數(shù)，最后利用VeriStand軟件部署模型和接口函數(shù)，利用LabVIEW編寫上位機飛行狀態(tài)設(shè)定與監(jiān)控軟件，進行實時仿真。

飛控算法實時仿真平臺總體架構(gòu)如圖1所示，仿真平臺的硬件部分由一臺PC計算機和兩臺CompactRIO 9024組成。CompactRIO(CRIO)是NI公司的一款堅固耐用、可重配置的嵌入式系統(tǒng)，主要由3個部分組成：實時控制器，可重配置的FPGA(現(xiàn)場可編程門陣列)和工業(yè)級I/O模塊(NI C系列)。實時處理器具體是一個速率高達800 MHz Freescale的工業(yè)實時嵌入式處理器，能夠可靠而準確地執(zhí)行實時應(yīng)用程序，并可提供多速率控制、進程執(zhí)行跟蹤、板載數(shù)據(jù)存儲以及與外部設(shè)備通訊等功能，系統(tǒng)安全性、可靠性及控制精度高，實時性強[6]。CompactRIO內(nèi)嵌FPGA的可重配置機箱是嵌入式系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)的核心，機箱中的FPGA直接和每個I/O模塊相連，可高速訪問I/O電路并靈活實現(xiàn)定時、出發(fā)和同步等功能。RIO(FPGA)核心內(nèi)置數(shù)據(jù)傳輸機制，負責(zé)把數(shù)據(jù)傳輸?shù)角度胧教幚砥鬟M行實時分析、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)記錄或與主機聯(lián)網(wǎng)通信。NI C系列模塊提供了高精度測量，適用于高級數(shù)據(jù)和控制應(yīng)用，并支持較寬的溫度范圍，以滿足各種應(yīng)用和環(huán)境需求。

圖1　仿真平臺硬件結(jié)構(gòu)圖

模型的加載、部署與實時運行都是由VeriStand軟件完成的。NI VeriStand是一種配置實時測試應(yīng)用程序的軟件環(huán)境，可以配置針對多核處理器的實時引擎。利用VeriStand硬件發(fā)現(xiàn)功能可以掃描得到FPGA，針對CRIO上的C模塊編寫FPGA配置文件即可直接訪問CompactRIO硬件的每個I/O模塊輸入輸出電路，簡單靈活地進行復(fù)雜任務(wù)處理。

NI VeriStand 還能夠從NI LabVIEW 軟件和第三方環(huán)境中導(dǎo)入控制算法、仿真模型和其他任務(wù)。可以使用運行時可編輯的用戶界面(Workspace)監(jiān)測這些任務(wù)，并與其交互，然而VeriStand Workspace控件太少，功能過于簡單，實用性不足，故本仿真平臺中使用LabVIEW調(diào)用VeriStand API，控制模型的狀態(tài)設(shè)定和參數(shù)監(jiān)控。VeriStand可以在多種不同的軟件環(huán)境進行自定義和擴展，如LabVIEW，ANSI C/C++和其他建模與編程環(huán)境。

2仿真平臺軟件設(shè)計

2.1通信程序與轉(zhuǎn)速驅(qū)動程序編程

真實四旋翼無人機中，飛行控制系統(tǒng)的飛行狀態(tài)設(shè)定值由遙控指令設(shè)定，姿態(tài)信息則通過傳感器采集獲得。而在本仿真平臺中，飛行狀態(tài)設(shè)定值由PC上位機設(shè)定，傳感器反饋值由四旋翼數(shù)學(xué)模型計算，計算后通過串口從第二個CompactRIO(CRIO2)發(fā)送至第一個CompactRIO(CRIO1)。由于VeriStand并沒有預(yù)置串口通信功能，所以使用Custom Device實現(xiàn)。Custom Device是一種具有固定格式的LabVIEW工程，它可以實時運行于仿真平臺，VeriStand提供了該工程的模板，可以在該模板中添加所需功能。但是該模板的閱讀與使用較為復(fù)雜，NI官方提供了名為“EasyCustomDeviceTool”的工具，對原有模板進行了進一步的封裝，使得Custom Device的編寫與常規(guī)LabVIEW串口通信程序的編寫基本一致，極大地簡化了編程，提高了效率。

在本仿真平臺中，為使飛行控制系統(tǒng)模型和四旋翼數(shù)學(xué)模型能夠在兩個CRIO中分別實時運行，更加貼近真實四旋翼無人機的各項功能，并盡可能地減少通信程序可能造成的延遲，在CRIO1中使用LabVIEW程序編寫了轉(zhuǎn)速輸出驅(qū)動程序，即將飛行控制系統(tǒng)模型輸出的轉(zhuǎn)速使用FPGA通過NI 9401模塊轉(zhuǎn)換為PWM波形輸出，而在CRIO2中變速采集驅(qū)動程序，即使用FPGA通過 NI 9403模塊采集PWM波形并標(biāo)定為真實轉(zhuǎn)速，并將轉(zhuǎn)速通過映射功能(Mapping)傳遞至四旋翼數(shù)學(xué)模型的輸入端口。

2.2仿真平臺軟件架構(gòu)

整個仿真軟件可以分為上位機和下位機兩部分。上位機也是主控計算機，由LabVIEW通過調(diào)用VeriStand API，控制整個VeriStand工程，對下位機模型輸入?yún)?shù)進行設(shè)定，同時讀取模型各輸出參數(shù)，并用合適的方式顯示；兩個CompactRIO都是下位機，下位機模型則由VeriStand Engine實時運行。

上位機的主要功能包括飛行狀態(tài)和控制參數(shù)的設(shè)定、模型輸出參數(shù)的監(jiān)控、數(shù)據(jù)存儲于回放等。而下位機則主要是模型的實時運行，通訊程序、模型和轉(zhuǎn)速驅(qū)動三者之間的信號通過VeriStand的映射功能實現(xiàn)，信號的標(biāo)定與計算則通過VeriStand的Calculated Channels功能實現(xiàn)，同時使用Stimulus Profile按需求編寫了實時測試序列，對模型進行自動化測試。

3仿真模型的建立

3.1飛行控制系統(tǒng)模型的建立

飛行控制系統(tǒng)是四旋翼無人機的大腦，其主要功能是接收遙控指令，并讀取傳感器參數(shù)，通過調(diào)整4個旋翼的轉(zhuǎn)速以控制四旋翼的姿態(tài)和位置。本仿真平臺是使用最普遍的PID控制器對四旋翼無人機進行姿態(tài)和高度控制的，飛行控制系統(tǒng)模型的輸入為飛行狀態(tài)設(shè)定值和傳感器反饋值。飛行狀態(tài)由上位機設(shè)定，傳感器反饋值則通過串口從CRIO2接收。

在Simulink下對飛行控制系統(tǒng)進行建模，模型主體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2　飛行控制系統(tǒng)模型

飛行控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型在CRIO中的運行周期為5 ms。

3.2四旋翼動力學(xué)與運動學(xué)模型的建立

建立在運動學(xué)和動力學(xué)分析基礎(chǔ)上的四旋翼無人機數(shù)學(xué)模型是飛行控制仿真的基礎(chǔ)。為建立其數(shù)學(xué)模型，首先建立地面坐標(biāo)系E(OXYZ)以確定四旋翼飛行器的空間坐標(biāo)位置和相對于地面的運動狀態(tài)；然后以四旋翼飛行器重心為原點，建立機體坐標(biāo)系B(OXYZ)，并對四旋翼進行受力分析，如圖3所示。其中，翻滾角Φ為機體坐標(biāo)系相對地面坐標(biāo)系沿x軸變化的角度，俯仰角θ為機體坐標(biāo)系相對地面坐標(biāo)系沿y軸變化的角度，偏航角Ψ為機體坐標(biāo)系相對地面坐標(biāo)系沿z軸變化的角度。這3個歐拉角用于描述飛行器的姿態(tài)。

圖3　四旋翼無人機坐標(biāo)系

分析四旋翼在地面坐標(biāo)系中受力情況時，首先獲得機體坐標(biāo)系到地面坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換矩陣如下：

R=Rx*Ry*Rz=

為使建立的數(shù)學(xué)模型更為準確，對該系統(tǒng)做如下假設(shè)：

1)假設(shè)地面坐標(biāo)系E(OXYZ)為慣性坐標(biāo)系；

2)無人機機體坐標(biāo)原點與無人機重心完全重合；

3)將四旋翼整體視為剛體，且完全均勻?qū)ΨQ；

4)飛行器處在懸?；蚵亠w行狀態(tài)，忽略阻力系數(shù)。

根據(jù)牛頓第二定律和飛行器動力學(xué)方程，參考文獻[7-9]，建立四旋翼無人機的數(shù)學(xué)模型如下：

式中，m為無人機的質(zhì)量，g為重力加速度，l為無人機重心到旋翼中心的距離，kt為升力系數(shù)，kd為拖拉系數(shù)，ωi為電機轉(zhuǎn)速，i=1,2,3,4，Ix，Iy，Iz分別為無人機3個軸向的轉(zhuǎn)動慣量。

利用Simulink軟件對四旋翼無人機進行建模，其結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4　四旋翼數(shù)學(xué)模型

飛行控制系統(tǒng)模型在CRIO中的運行周期為5ms。

模型建立后即可使用NI提供的“NIVeriStand_VxWorks.tlc”目標(biāo)文件，將Simulink模型編譯為可以在VeriStand中運行的.out文件。

4仿真驗證

VeriStand提供了非常友好的API接口，可以使用LabVIEW、C#等語言控制VeriStand工程，編寫界面更為友好、功能更為豐富的上位機程序，尤其是搭配圖形化編程語言LabVIEW可以快速搭建可視化仿真驗證上位機。

在該可視化上位機中，左上角為PID調(diào)參區(qū)域，如未填寫則使用下默認參數(shù)，中間部分為飛行狀態(tài)設(shè)定區(qū)域，右側(cè)為姿態(tài)角變化曲線顯示區(qū)域，左下角顯示飛行姿態(tài)，右下角曲線顯示4個電機轉(zhuǎn)速變化。

為測試該仿真平臺的控制效果，在上位機飛行狀態(tài)設(shè)定中，將橫滾角和俯仰角都設(shè)定為0.5rad，翻滾角設(shè)置為0rad，高度設(shè)置為1m。運行上位機程序，上位機自動部署并實時運行VeriStand工程，同時將模型各項輸入輸出參數(shù)在上位機中顯示。圖6為改變參數(shù)后姿態(tài)角在前20s的變化曲線。

圖5　20 s內(nèi)姿態(tài)角變化曲線

轉(zhuǎn)速曲線則如圖7所示。

圖6　轉(zhuǎn)速變化曲線

從圖5與圖6中可以看出，飛行器大約在5s左右進入懸停狀態(tài)，橫滾角的穩(wěn)態(tài)誤差為±0.02rad，俯仰角的穩(wěn)態(tài)誤差為±0.05rad，偏航角的穩(wěn)態(tài)誤差為±0.05rad，懸停中無人機的飛行狀態(tài)非常穩(wěn)定。

5結(jié)論

本文研究并設(shè)計了一個四旋翼無人機飛行控制系統(tǒng)實時仿真驗證平臺，使用Simulink建立了四旋翼無人機數(shù)學(xué)模型和飛行控制系統(tǒng)模型，利用RTW將模型編譯，通過VeriStand將模型部署至CompactRIO實時系統(tǒng)中，并在LabVIEW編寫的上位機中飛行狀態(tài)，實時運行模型以對飛行控制系統(tǒng)進行仿真驗證與可視化參數(shù)整定。經(jīng)過驗證，該仿真平臺具有較好的擴展性和實用性，能以低成本的方式對四旋翼無人機飛控系統(tǒng)進行實時仿真驗證。

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Study of Real-Time Simulation Platform for Four-Rotor Flight Control System Based on CompactRIO

Zheng Wenhua1,2, Liu Yuan2, Yu Ting1, Huang Xuejin1

(1.AVIC Aviation Motor Control System Institute,Wuxi214063,China;2.Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, Nanjing210000,China)

Abstract:For four-rotor real-time UAV flight control system design and algorithm parameter tuning, a flight control system based on CompactRIO real-time simulation platform is designed. This Platform using two CompactRIO as the main controller, respectively, in its embedded real-time systems (VxWorks) run UAV dynamics model and flight control system model designed by Simulink. LabVIEW is used to develop PC monitoring program to adjust flight status and set control parameters. The experiment proved that the platform is practical, and has high degree of visualization and real-time performance, can better for real-time simulation of four-rotor flight control system.

Keywords:four-rotor UAV; CompactRIO; real-time simulation

文章編號：1671-4598(2016)02-0275-04

DOI：10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2016.02.076

中圖分類號：V271.4

文獻標(biāo)識碼：A

作者簡介：鄭文華(1990-)，男，江蘇常州人，碩士研究生，主要從事系統(tǒng)控制與仿真方向的研究。

基金項目：南京航空航天大學(xué)研究生創(chuàng)新基地(實驗室)開放基金 (kfjj201462); 中央高校基本科研業(yè)務(wù)費專項資金。

收稿日期：2015-09-06；修回日期：2015-10-10。