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針對無人機控制律參數(shù)調(diào)整和后期控制策略優(yōu)化的要求，基于無人機的應(yīng)用背景，提出了無人機飛行控系統(tǒng)地面仿真平臺的設(shè)計方案。首先對平臺的總體設(shè)計進(jìn)行了分析，然后介紹了主要子系統(tǒng)的設(shè)計。最后給出了界面顯示和半物理仿真結(jié)果。半實物仿真結(jié)果表明，該平臺設(shè)計合理，具有一定的工程應(yīng)用價值。
無人機的使用越來越廣泛，其功能也越來越完善。飛行控制系統(tǒng)日趨復(fù)雜，不確定因素越來越多。飛行控制系統(tǒng)作為無人機的核心，對無人機的安全飛行和有效完成起著決定性的作用。為了保證控制軟件的可靠性，需要建立相應(yīng)的仿真系統(tǒng)對其進(jìn)行驗證。
目前，無人機飛行控制仿真主要包括數(shù)字仿真和半實物仿真。半實物仿真將系統(tǒng)的一部分引入到仿真回路中，盡可能地模擬場景。驗證飛行控制系統(tǒng)的可靠性，特別是在飛行控制初始階段和后期控制策略的改進(jìn)方面，比數(shù)字仿真更有效。
在現(xiàn)有工程輔助工具的基礎(chǔ)上，建立了無人機飛行控制設(shè)計與仿真試驗平臺，可應(yīng)用于無人機的建模、飛行控制系統(tǒng)的研究開發(fā)、工程實現(xiàn)、半實物仿真和飛行試驗等方面。以標(biāo)準(zhǔn)體系結(jié)構(gòu)為標(biāo)準(zhǔn)，采用計算機技術(shù)和工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)總線技術(shù)構(gòu)建高性能實時飛行仿真系統(tǒng)，以滿足可靠性、可用性和維修性要求。同時，作為一種先進(jìn)的飛行控制系統(tǒng)和航空電子設(shè)備的關(guān)鍵技術(shù)的驗證平臺，我們也需要滿足系統(tǒng)模塊的通用性，資源重構(gòu)，可重構(gòu)性和可測性。半物理仿真系統(tǒng)由飛行仿真計算機、地面控制計算機、飛行控制計算機、慣性導(dǎo)航、三軸模擬器、負(fù)載模擬器和執(zhí)行舵單元組成。
角度測量裝置實時采集試驗機舵運動信號如上圖所示的轉(zhuǎn)向齒輪配置地面仿真系統(tǒng)，通過對飛行運動特性試驗機空氣計算機計算模擬，刺激的轉(zhuǎn)盤，計算機模擬信號通過串行通信對轉(zhuǎn)臺的控制柜，控制飛機姿態(tài)變化的模擬，因為慣性導(dǎo)航裝置安裝在轉(zhuǎn)盤上，慣性導(dǎo)航裝置的信號會對飛行控制計算機，根據(jù)當(dāng)前狀態(tài)的控制律的飛行控制計算機，計算手勢信號，通過變換飛行數(shù)據(jù)傳送到轉(zhuǎn)向器、轉(zhuǎn)向器運動、轉(zhuǎn)向角測量裝置通過平行端口將測量的角度轉(zhuǎn)換為仿真計算機，從而形成閉環(huán)控制。
無人機仿真系統(tǒng)是整個半實物仿真系統(tǒng)的重要組成部分。它的計算任務(wù)繁重，與其他子系統(tǒng)密切相關(guān)。輸入/輸出參數(shù)大。
無人機數(shù)學(xué)模型是一個具有六自由度的非線性全運動方程，具有高階多變量非線性時變特性。仿真軟件使用四個元素計算姿態(tài)角和四階龍格庫塔法求解動力微分方程。飛行仿真系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型非常復(fù)雜，為了使軟件邏輯清晰，界面清晰，模塊化設(shè)計的需要，以模塊化建模的思想，動態(tài)模型分解為氣動系數(shù)模塊、發(fā)動機模塊、風(fēng)模塊、初始化模塊、空氣平衡模塊、串口通信模塊、時鐘模塊、多媒體繪圖模塊、加速度傳感器等。
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算等重要任務(wù)。
該地面仿真平臺中飛行控制器選用高性能處理芯片，芯片是一款系列浮點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，并具有所開發(fā)的功能強大的CCS軟件平臺。飛控軟件按照軟件T程設(shè)計準(zhǔn)則，采用模塊化結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計，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。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的起飛和著陸；自主導(dǎo)航用來對無人機進(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。無人機測控系統(tǒng)主要用于傳輸?shù)孛娌倏v人員的指令，用于傳送無人機的狀態(tài)參數(shù)、位置坐標(biāo)等信息給地面站，實時顯示無人機的飛行參數(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。
無人機地面測控系統(tǒng)由測控計算機實現(xiàn)，測控計算機的主板為研華ADAM-562V，測控汁算機是在Windows環(huán)境下運行的計算機，操縱桿通過USB接口接入測控計算機，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，這部分實現(xiàn)了離散指令的輸入和輸出；將操縱桿接到PC機上，完成連續(xù)指令的輸入和輸出。對于實時飛行控制的相關(guān)功能來說，最重要的是保證對無人機飛行控制操作的準(zhǔn)確性與實時性，這就需要設(shè)計一種盡可能簡單直觀、便于地面操作人員操作的人機交互界面。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)。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)，也記錄測控計算機發(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的飛行狀態(tài)、遙測數(shù)據(jù)及參數(shù)曲線。
仿真軟件主要用來飛行器動力學(xué)解算，即實現(xiàn)飛行器飛行動力學(xué)的實時數(shù)字仿真運算，按照模塊化設(shè)計思想，在VC++6．0的環(huán)境下，基于MFC。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)計滿足了要求。
無人機的使用越來越廣泛，其功能也越來越完善。飛行控制系統(tǒng)日趨復(fù)雜，不確定因素越來越多。飛行控制系統(tǒng)作為無人機的核心，對無人機的安全飛行和有效完成起著決定性的作用。為了保證控制軟件的可靠性，需要建立相應(yīng)的仿真系統(tǒng)對其進(jìn)行驗證。
目前，無人機飛行控制仿真主要包括數(shù)字仿真和半實物仿真。半實物仿真將系統(tǒng)的一部分引入到仿真回路中，盡可能地模擬場景。驗證飛行控制系統(tǒng)的可靠性，特別是在飛行控制初始階段和后期控制策略的改進(jìn)方面，比數(shù)字仿真更有效。
在現(xiàn)有工程輔助工具的基礎(chǔ)上，建立了無人機飛行控制設(shè)計與仿真試驗平臺，可應(yīng)用于無人機的建模、飛行控制系統(tǒng)的研究開發(fā)、工程實現(xiàn)、半實物仿真和飛行試驗等方面。以標(biāo)準(zhǔn)體系結(jié)構(gòu)為標(biāo)準(zhǔn)，采用計算機技術(shù)和工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)總線技術(shù)構(gòu)建高性能實時飛行仿真系統(tǒng)，以滿足可靠性、可用性和維修性要求。同時，作為一種先進(jìn)的飛行控制系統(tǒng)和航空電子設(shè)備的關(guān)鍵技術(shù)的驗證平臺，我們也需要滿足系統(tǒng)模塊的通用性，資源重構(gòu)，可重構(gòu)性和可測性。半物理仿真系統(tǒng)由飛行仿真計算機、地面控制計算機、飛行控制計算機、慣性導(dǎo)航、三軸模擬器、負(fù)載模擬器和執(zhí)行舵單元組成。
角度測量裝置實時采集試驗機舵運動信號如上圖所示的轉(zhuǎn)向齒輪配置地面仿真系統(tǒng)，通過對飛行運動特性試驗機空氣計算機計算模擬，刺激的轉(zhuǎn)盤，計算機模擬信號通過串行通信對轉(zhuǎn)臺的控制柜，控制飛機姿態(tài)變化的模擬，因為慣性導(dǎo)航裝置安裝在轉(zhuǎn)盤上，慣性導(dǎo)航裝置的信號會對飛行控制計算機，根據(jù)當(dāng)前狀態(tài)的控制律的飛行控制計算機，計算手勢信號，通過變換飛行數(shù)據(jù)傳送到轉(zhuǎn)向器、轉(zhuǎn)向器運動、轉(zhuǎn)向角測量裝置通過平行端口將測量的角度轉(zhuǎn)換為仿真計算機，從而形成閉環(huán)控制。
無人機仿真系統(tǒng)是整個半實物仿真系統(tǒng)的重要組成部分。它的計算任務(wù)繁重，與其他子系統(tǒng)密切相關(guān)。輸入/輸出參數(shù)大。
無人機數(shù)學(xué)模型是一個具有六自由度的非線性全運動方程，具有高階多變量非線性時變特性。仿真軟件使用四個元素計算姿態(tài)角和四階龍格庫塔法求解動力微分方程。飛行仿真系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型非常復(fù)雜，為了使軟件邏輯清晰，界面清晰，模塊化設(shè)計的需要，以模塊化建模的思想，動態(tài)模型分解為氣動系數(shù)模塊、發(fā)動機模塊、風(fēng)模塊、初始化模塊、空氣平衡模塊、串口通信模塊、時鐘模塊、多媒體繪圖模塊、加速度傳感器等。
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算等重要任務(wù)。
該地面仿真平臺中飛行控制器選用高性能處理芯片，芯片是一款系列浮點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，并具有所開發(fā)的功能強大的CCS軟件平臺。飛控軟件按照軟件T程設(shè)計準(zhǔn)則，采用模塊化結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計，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。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的起飛和著陸；自主導(dǎo)航用來對無人機進(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。無人機測控系統(tǒng)主要用于傳輸?shù)孛娌倏v人員的指令，用于傳送無人機的狀態(tài)參數(shù)、位置坐標(biāo)等信息給地面站，實時顯示無人機的飛行參數(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。
無人機地面測控系統(tǒng)由測控計算機實現(xiàn)，測控計算機的主板為研華ADAM-562V，測控汁算機是在Windows環(huán)境下運行的計算機，操縱桿通過USB接口接入測控計算機，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，這部分實現(xiàn)了離散指令的輸入和輸出；將操縱桿接到PC機上，完成連續(xù)指令的輸入和輸出。對于實時飛行控制的相關(guān)功能來說，最重要的是保證對無人機飛行控制操作的準(zhǔn)確性與實時性，這就需要設(shè)計一種盡可能簡單直觀、便于地面操作人員操作的人機交互界面。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)。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)，也記錄測控計算機發(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的飛行狀態(tài)、遙測數(shù)據(jù)及參數(shù)曲線。
仿真軟件主要用來飛行器動力學(xué)解算，即實現(xiàn)飛行器飛行動力學(xué)的實時數(shù)字仿真運算，按照模塊化設(shè)計思想，在VC++6．0的環(huán)境下，基于MFC。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)計滿足了要求。
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