桂 洲 祖家奎

(南京航空航天大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院 江蘇 南京 210016)

0 引 言

無人直升機(jī)經(jīng)過二十多年的快速發(fā)展已逐步應(yīng)用于軍用和民用領(lǐng)域，在軍事偵察、攻擊、反恐、電力尋線、目標(biāo)監(jiān)控以及農(nóng)業(yè)植保等方面發(fā)揮著越來越重要的作用[1]。當(dāng)前任務(wù)的執(zhí)行是以單架無人直升機(jī)系統(tǒng)為主要飛行單元的，然而針對協(xié)同復(fù)雜任務(wù)飛行的新需求，多機(jī)編隊(duì)飛行控制是當(dāng)前無人直升機(jī)工程應(yīng)用的迫切需求之一[2]。編隊(duì)飛行通常指多架無人機(jī)按照一定的編隊(duì)方案保持隊(duì)形不變或者相對位置在一定范圍內(nèi)變動(dòng)的協(xié)同飛行，其核心是編隊(duì)飛行控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，涉及多機(jī)通信、協(xié)同任務(wù)分配、協(xié)同航跡規(guī)劃、控制律等多個(gè)技術(shù)細(xì)節(jié)，是一個(gè)約束條件眾多且復(fù)雜的問題。此外，多機(jī)編隊(duì)飛行的技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)大，從工程實(shí)現(xiàn)角度需要基于一套完整的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)手段，而多機(jī)編隊(duì)飛行仿真系統(tǒng)是降低研制成本、有效控制飛行風(fēng)險(xiǎn)、提高研制效率的重要技術(shù)方法。

本文針對某型無人直升機(jī)由一站(地面測控站)一機(jī)升級到一站多機(jī)(最多五機(jī))的工程特殊需求，在原單機(jī)航電系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)了一種系統(tǒng)簡單、開發(fā)快速、驗(yàn)證便捷的多機(jī)編隊(duì)飛行控制仿真系統(tǒng)，主要包括多機(jī)通信、飛控軟件在環(huán)(簡稱等效飛控)、直升機(jī)模型與飛行視景、地面站軟件等細(xì)節(jié)。

1 需求分析與開發(fā)方案

某型無人直升機(jī)為了實(shí)現(xiàn)前期多機(jī)編隊(duì)飛行控制的技術(shù)驗(yàn)證和工程過渡，希望基于現(xiàn)有單機(jī)飛控系統(tǒng)且不改動(dòng)硬件和增加成本的前提下，充分發(fā)揮現(xiàn)有測控系統(tǒng)的通信能力，通過飛行控制系統(tǒng)的軟件升級實(shí)現(xiàn)某型無人直升機(jī)一站最多五機(jī)的編隊(duì)飛行。其中，其測控系統(tǒng)是固定頻段，不具備擴(kuò)頻功能，具有全向和定向通信能力，如果采用測控碼分多址體制或頻分多址體制都需要更改測控設(shè)備且成本較高。

鑒于上述開發(fā)需求和飛控仿真的技術(shù)要求，該仿真平臺構(gòu)建的關(guān)鍵是多機(jī)通信，本文提出了以地面站為信息交換中心，利用測控的全向廣播模式，基于時(shí)分多址和時(shí)分雙向通信的方法實(shí)現(xiàn)多機(jī)分時(shí)切換通信。其中，時(shí)分多址體制是將測控通信周期劃分為基準(zhǔn)時(shí)間片，地面控制站與無人直升機(jī)在分配到的工作時(shí)隙內(nèi)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。系統(tǒng)總體方案如圖1所示。

圖1 多機(jī)飛行仿真系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

每一個(gè)仿真節(jié)點(diǎn)是一臺PC仿真計(jì)算機(jī)，多節(jié)點(diǎn)直接通過hub交換機(jī)進(jìn)行網(wǎng)路通信，每個(gè)節(jié)點(diǎn)計(jì)算機(jī)運(yùn)行包括地面站軟件、數(shù)據(jù)電臺、等效機(jī)載飛控軟件、X-Plane飛行仿真軟件及數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)中繼等模塊。

(1) 地面站有兩個(gè)作用：無人直升機(jī)飛行狀態(tài)顯示和指令控制；分時(shí)接收多機(jī)的狀態(tài)信息并發(fā)布多機(jī)的飛行狀態(tài)，即多機(jī)飛行信息的轉(zhuǎn)發(fā)。

(2) 數(shù)據(jù)電臺用于模擬真實(shí)的測控通信鏈路，分為地面站收發(fā)器和仿真計(jì)算機(jī)收發(fā)器兩個(gè)部分。

(3) 等效飛控軟件用于模擬運(yùn)行機(jī)載飛行控制。

(4) X-Plane軟件即直升機(jī)模型和視景系統(tǒng)。

(5) 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)中繼實(shí)現(xiàn)等效飛控與X-Plane之間的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。

(6) 交換機(jī)用于多個(gè)仿真計(jì)算機(jī)信息以及X-Plane多機(jī)模型的信息交換。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1 多機(jī)測控通信

1) 多機(jī)通信方案。目前，無人機(jī)測控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)一站多機(jī)測控模式的通信技術(shù)主要有頻分多址、時(shí)分多址、碼分多址、基于相控天線的空分多址和基于數(shù)字多波束相控天線等[3-6]。由于相控天線、碼分多址和頻分多址等通信方案需要專用測控設(shè)備支持，其實(shí)現(xiàn)成本較高、體積重量較大，因此本文采用時(shí)分多址測控模式實(shí)現(xiàn)較低成本的一站多機(jī)通信。使用的通信媒介為數(shù)據(jù)電臺，如圖2所示，其分為1個(gè)基站電臺和3個(gè)移動(dòng)站電臺，其中基站電臺與地面站相連，移動(dòng)站電臺與無人直升機(jī)相連。

圖2 基站和移動(dòng)站電臺

2) 分時(shí)通信邏輯。為了對電臺通信信道進(jìn)行分配，本文采用了時(shí)分多址的方式，通信過程如圖3所示。在每一通信周期內(nèi)，地面站按照順序分別查詢各個(gè)無人直升機(jī)的狀態(tài)信息，每架無人直升機(jī)對當(dāng)前查詢的ID進(jìn)行判斷，如果和自己的系統(tǒng)ID相等，則發(fā)送狀態(tài)信息給地面站，否則不發(fā)送。

圖3 TDMA通信周期

3) 通信協(xié)議的設(shè)計(jì)。地面站作為無人直升機(jī)編隊(duì)飛行的控制中心，需要與各個(gè)無人直升機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收，因此要設(shè)計(jì)相應(yīng)的通信協(xié)議及通信方式來保證通信的有效性和準(zhǔn)確性。在通信協(xié)議上，本文參考了MAVLink協(xié)議，根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行了相應(yīng)的修改，數(shù)據(jù)包格式如圖4所示。測試表明，該協(xié)議實(shí)現(xiàn)簡單，數(shù)據(jù)傳輸靈活，可以應(yīng)用于各種通信場景。其中系統(tǒng)ID用于無人直升機(jī)編號，表明該數(shù)據(jù)包是屬于哪一架無人直升機(jī)，從而實(shí)現(xiàn)一站多機(jī)通信。

圖4 協(xié)議結(jié)構(gòu)

2.2 等效飛控軟件

為了實(shí)現(xiàn)多機(jī)軟件在環(huán)仿真，本文用C語言在PC機(jī)上開發(fā)出一款等效的飛行控制系統(tǒng)，開發(fā)環(huán)境使用Visual Studio 2015，整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖5所示。顯示界面如圖6所示，其中數(shù)據(jù)區(qū)1主要顯示無人直升機(jī)姿態(tài)信息，數(shù)據(jù)區(qū)2主要顯示當(dāng)前無人直升機(jī)所處模態(tài)，數(shù)據(jù)區(qū)3顯示當(dāng)前無人直升機(jī)四通道控制律參數(shù)。

圖5 等效飛控結(jié)構(gòu)

圖6 等效飛控監(jiān)控顯示

為了更好地模擬硬件上飛行控制系統(tǒng)的運(yùn)行環(huán)境，通過在PC機(jī)上移植μC/OS-Ⅱ?qū)崟r(shí)操作系統(tǒng)來保證各個(gè)控制模塊執(zhí)行的實(shí)時(shí)性，主要模塊及功能如下：

(1) 通信模塊。通信分為與地面站和與X-Plane之間的信息交換。由于采用的是一站多機(jī)的通信方式，在這種通信方式下，無人直升機(jī)僅與地面站進(jìn)行通信，因此，通信實(shí)現(xiàn)相對簡單。在和地面站通信中，本文基于μC/OS-Ⅱ操作系統(tǒng)編寫了兩個(gè)任務(wù)，一是數(shù)據(jù)發(fā)送任務(wù)，二是數(shù)據(jù)接收任務(wù)，即TaskRx()和TaskTx()。在通信方式上，本文采用時(shí)分多址的方法[3]，實(shí)現(xiàn)多無人直升機(jī)與地面站的信息交換。

在與X-Plane通信中，由于通信協(xié)議和通信方式的區(qū)別，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一個(gè)中繼轉(zhuǎn)發(fā)程序。在等效飛控中使用Model_TaskSim()任務(wù)和轉(zhuǎn)發(fā)程序進(jìn)行通信，其中包括LinkRx()和LinkTx()兩個(gè)子任務(wù)。

(2) 編隊(duì)控制模塊。編隊(duì)控制主要完成在多架無人直升機(jī)進(jìn)行的某種隊(duì)形排列飛行時(shí)，控制每架無人直升機(jī)的飛行姿態(tài)和軌跡，使得總體編隊(duì)隊(duì)形保持不變或按照某種要求進(jìn)行隊(duì)形的重組。姿態(tài)控制由四個(gè)通道組成，分別是總矩、尾槳、橫向和縱向。在實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)μC/OS-Ⅱ中用COL_LawLoopCtrl()、RUD_LawLoopCtrl()、AIL_LawLoopCtrl()、ELE_LawLoopCtrl()四個(gè)任務(wù)中實(shí)現(xiàn)的控制律進(jìn)行控制。軌跡控制及無人直升機(jī)各個(gè)飛行模態(tài)通過NAV_TaskPlaneFly()、ModeRun()來實(shí)現(xiàn)。本文實(shí)現(xiàn)的仿真系統(tǒng)主要對基于長機(jī)-僚機(jī)編隊(duì)策略進(jìn)行研究，因此在控制中有長機(jī)和僚機(jī)之分。長機(jī)控制主要側(cè)重于飛行軌跡即按照任務(wù)要求生成的航跡進(jìn)行飛行控制，而僚機(jī)主要根據(jù)長機(jī)位置、姿態(tài)等信息進(jìn)行姿態(tài)控制，以保持相應(yīng)的編隊(duì)隊(duì)形或?qū)庩?duì)隊(duì)形進(jìn)行調(diào)整變換，因此主要涉及對姿態(tài)的控制。

2.3 多機(jī)編隊(duì)地面站軟件

為了實(shí)現(xiàn)對多無人直升機(jī)編隊(duì)進(jìn)行控制以及相關(guān)狀態(tài)信息的獲取，本文基于Qt開發(fā)環(huán)境使用C++設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了地面控制站軟件。軟件主界面如圖7所示，多機(jī)狀態(tài)顯示模塊可以同時(shí)顯示最多5架飛機(jī)的姿態(tài)、位置、飛行模態(tài)等信息。

(a) 地面站主界面

遙控面板用于對無人直升機(jī)發(fā)送各種指令，包括起飛準(zhǔn)備、自動(dòng)起飛、懸停、自動(dòng)返航等。地圖界面用百度地圖開放的API開發(fā)，用于顯示各個(gè)無人直升機(jī)的位置及飛行軌跡，從而達(dá)到更加直觀地顯示編隊(duì)效果的目的。

由于采用一站多機(jī)的通信方式，地面站作為一個(gè)數(shù)據(jù)通信中心，需要負(fù)責(zé)同步多架無人直升機(jī)的通信序列。在數(shù)據(jù)鏈路分配采用時(shí)分多址方式的情況下，地面站通過定時(shí)輪詢的方式與相應(yīng)的無人直升機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收，因此每次在同一時(shí)刻只有一架無人直升機(jī)與地面站進(jìn)行通信，這保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩头€(wěn)定。

2.4 直升機(jī)模型和飛行視景

模擬飛行軟件主要為仿真系統(tǒng)提供直升機(jī)模型、3D飛行視景，以及對直升機(jī)飛行環(huán)境進(jìn)行模擬，例如改變天氣、風(fēng)速、溫度等[7]。目前使用最多的是開源飛行模擬器Flight Gear。由于本文需要對多架無人直升機(jī)進(jìn)行編隊(duì)模擬仿真，因此選用更容易實(shí)現(xiàn)多機(jī)同時(shí)在線仿真的X-Plane模擬飛行軟件。相對于Flight Gear，X-Plane在數(shù)據(jù)通信、界面設(shè)置上簡單明了，對外提供的通信接口實(shí)現(xiàn)起來也比較容易。圖8所示為多機(jī)設(shè)置界面，其中IP地址為其他計(jì)算機(jī)在局域網(wǎng)中的IP地址，端口默認(rèn)為49000。通過此設(shè)置即可完成多機(jī)在線同時(shí)仿真，從而實(shí)現(xiàn)多機(jī)編隊(duì)飛行仿真。

圖8 多機(jī)設(shè)置界面

采用長機(jī)-僚機(jī)編隊(duì)方法，首先建立兩架無人直升機(jī)編隊(duì)運(yùn)動(dòng)模型[8-10]。由于兩機(jī)間高度不存在耦合，所以忽略高度影響，假設(shè)兩機(jī)處于同一水平面內(nèi)，建立如圖9所示的以僚機(jī)速度方向?yàn)閤軸的固連于僚機(jī)的旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系xWy，其中長機(jī)速度和航向角分別為vL、ψL，僚機(jī)對應(yīng)為vW、ψW，其中ψE為航向角偏差信號。

圖9 編隊(duì)相對運(yùn)動(dòng)關(guān)系

兩機(jī)間位置關(guān)系可表示為：

(1)

式(1)為非線性方程。應(yīng)用小擾動(dòng)和小角度假設(shè)，在水平面內(nèi)，對其進(jìn)行線性化處理：

(2)

編隊(duì)飛行中每架無人機(jī)都安裝自動(dòng)駕駛儀，其一階動(dòng)力學(xué)模型如下：

(3)

式中：τv為無人機(jī)速度時(shí)間常數(shù)；τψ為航向角時(shí)間常數(shù)；下標(biāo)c表示控制量。結(jié)合式(2)和式(3)得到編隊(duì)運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)模型如下:

(4)

由此可知，編隊(duì)飛行中主要控制僚機(jī)速度和航向角，從而跟隨長機(jī)并保持一定距離即保持與長機(jī)相對位置不變。

2.5 數(shù)據(jù)中繼轉(zhuǎn)發(fā)

X-Plane 模擬飛行軟件提供了一個(gè)基于UDP通信協(xié)議的外部數(shù)據(jù)接口，其中發(fā)送端口默認(rèn)為49000，應(yīng)用程序通過此接口可以接受X-Plane中直升機(jī)相關(guān)的飛行數(shù)據(jù)，比如姿態(tài)、速度、高度、位置等，還可以獲取環(huán)境的相關(guān)信息。接收端口默認(rèn)為49005，通過此端口應(yīng)用程序可以向X-Plane發(fā)送四通道控制指令，完成對直升機(jī)的控制。X-Plane對外通信的組幀結(jié)構(gòu)如圖10所示，主要包括兩個(gè)部分：幀頭和有效數(shù)據(jù)，其中幀頭為字符串“DATA0”，有效數(shù)據(jù)由有限組數(shù)據(jù)構(gòu)成，每組數(shù)據(jù)36字節(jié)共9個(gè)數(shù)據(jù)，第一位為組號用來標(biāo)識該組數(shù)據(jù)表示那種類型的信息。

圖10 中繼轉(zhuǎn)發(fā)的幀結(jié)構(gòu)

由于通信協(xié)議的不同，在X-Plane和等效飛控之間通過轉(zhuǎn)發(fā)中繼程序進(jìn)行數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)，如圖11所示。轉(zhuǎn)發(fā)中繼是基于MFC(Microsoft Foundation Classes)開發(fā)的應(yīng)用程序，實(shí)現(xiàn)了兩個(gè)數(shù)據(jù)通信接口，UDP通信用來接收X-Plane中有關(guān)無人直升機(jī)的飛行數(shù)據(jù)，并通過串口轉(zhuǎn)發(fā)給等效飛控，等效飛控根據(jù)編隊(duì)控制要求，產(chǎn)生相應(yīng)的四通道控制指令，經(jīng)過轉(zhuǎn)發(fā)中繼，從而實(shí)現(xiàn)對X-Plane中的模型飛機(jī)進(jìn)行相應(yīng)控制，達(dá)到編隊(duì)效果的目的。

圖11 中繼轉(zhuǎn)發(fā)的通信模式

3 仿真驗(yàn)證

為了驗(yàn)證系統(tǒng)的相關(guān)設(shè)計(jì)目標(biāo)，對系統(tǒng)進(jìn)行了聯(lián)合仿真測試。其測試整體實(shí)物圖如圖12所示，圖13為地面站控制界面，圖14為飛行實(shí)景仿真界面，經(jīng)過測試驗(yàn)證表面，仿真系統(tǒng)可以很好地進(jìn)行多機(jī)編隊(duì)飛行的測試，達(dá)到了預(yù)期設(shè)計(jì)目標(biāo)。

圖12 整體實(shí)物圖

圖13 地面站

圖14 飛行視景

4 結(jié) 語

本文基于X-Plane飛行模擬仿真平臺設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)了多無人直升機(jī)編隊(duì)飛行可視化仿真驗(yàn)證平臺。 該系統(tǒng)利用X-Plane自帶的直升機(jī)模型，開發(fā)了等效飛行控制和地面站軟件，實(shí)現(xiàn)了對編隊(duì)算法效果的可視化仿真。仿真結(jié)果表明，該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)以簡單、有效、直觀的方式驗(yàn)證各種編隊(duì)策略的實(shí)際飛行效果，對多機(jī)編隊(duì)方法的設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)和驗(yàn)證具有一定的參考價(jià)值。