無(wú)人機飛行控制系統地面仿真平臺設計與實(shí)現

摘要：為滿(mǎn)足無(wú)人機控制律參數調節及后期控制策略?xún)?yōu)化的需要，以某型無(wú)人機為應用背景，提出了一種無(wú)人機飛行控制系統地面仿真平臺的設計方案。首先分析了該平臺的總體設計方案，然后介紹了主要分系統的設計，最后給出界面顯示和半物理仿真結果。半物理仿真結果表明：該平臺設計合理，具有一定的工程價(jià)值。
關(guān)鍵詞：無(wú)人機飛行控制系統；總體方案；分系統；仿真平臺；界面顯示

無(wú)人機的用途日漸廣泛，功能日趨完善，其飛行控制系統逐漸復雜，不確定因素也越來(lái)越多。飛行控制系統作為無(wú)人機的核心，對無(wú)人機安全飛行、有效完成任務(wù)具有著(zhù)及舉足輕重的作用，為確?？刂栖浖目煽啃?，需要建立相應仿真系統對其進(jìn)行驗證。
無(wú)人機飛行控制仿真目前主要包括數字仿真和半物理仿真。半物理仿真將系統部分實(shí)物引入仿真回路，盡可能真實(shí)模擬現場(chǎng)情況，較數字仿真更能有效驗證飛行控制系統的可靠性，尤其在初期試飛調參及后期控制策略改進(jìn)階段，應用廣泛。
文中利用現有的工程化輔助工具，建立無(wú)人機飛控設計與仿真試驗平臺，可用于無(wú)人飛行器的建模、飛行控制系統研究和開(kāi)發(fā)、工程實(shí)現、半實(shí)物仿真和飛行試驗各個(gè)階段。

1 總體方案
以標準化體系結構為標準，利用計算機技術(shù)和工業(yè)標準總線(xiàn)技術(shù)，構建高性能飛行實(shí)時(shí)仿真系統，以滿(mǎn)足可靠性、可用性和易維護性要求。同時(shí)，作為先進(jìn)飛行控制系統和航空電子關(guān)鍵技術(shù)的驗證平臺，還要滿(mǎn)足系統的模塊通用性、資源的可配置、可重構和可測試性。
將飛行仿真計算機、地面測控計算機、飛行控制計算機、慣性導航、三軸模擬轉臺、負載模擬器及執行舵機等單元閉環(huán)連接，構成半物理仿真系統，如圖1所示。

如上圖所示地面仿真系統配置舵機的測角裝置實(shí)時(shí)采樣驗證機的舵面運動(dòng)信號，通過(guò)仿真計算機解算驗證機空中的飛行運動(dòng)特性，產(chǎn)生轉臺運動(dòng)的激勵信號，仿真計算機將此信號通過(guò)串口通訊傳給轉臺控制柜，控制轉臺模擬飛行器姿態(tài)變化，由于慣性導航裝置安裝在轉臺上，慣性導航裝置將感受到的信號傳給飛控計算機，飛控計算機根據控制律對當前的狀態(tài)進(jìn)行控制，并將解算出的姿態(tài)信號、飛行數據等經(jīng)變換后傳給舵機，舵機產(chǎn)生動(dòng)作，舵機測角裝置將測到的角度通過(guò)轉化通過(guò)并口傳給仿真計算機，從而形成閉環(huán)控制。

2 主要分系統設計
2．1 無(wú)人機仿真系統
人機仿真系統是整個(gè)半物理仿真系統的一個(gè)主要部分，它的計算任務(wù)繁重，與其它分系統的關(guān)系密切，輸入／輸出參數量大。
仿真計算機采用臺灣研華公司的工控機，研華ADAM562V主板，CPU為PⅣ3．0G，DDR／2G內存，250G硬盤(pán)，128M獨立顯卡，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的數字接口。
無(wú)人機數學(xué)模型為六自由度非線(xiàn)性全量運動(dòng)方程，具有高階多變量非線(xiàn)性時(shí)變特性。仿真軟件用四元數計算姿態(tài)角，四階龍格庫塔法解算動(dòng)力學(xué)微分方程。飛行仿真系統的數學(xué)模型非常復雜，為使軟件邏輯清楚、界面清晰，需要進(jìn)行模塊化設計，按照模塊化建模的思想，將動(dòng)力學(xué)模型分解為氣動(dòng)系數模塊、發(fā)動(dòng)機模塊、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(shí)鐘模塊、繪圖模塊、加速度計、陀螺誤差模擬模塊、負載計算模塊和無(wú)人機動(dòng)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(wú)人機飛行控制系統
飛行控制系統是整個(gè)系統的核心，它負責著(zhù)系統數據的采集、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，外設集成度高，數據以及程序存儲量大，A／D轉換更精確快速等優(yōu)點(diǎn)，并具有TI公司所開(kāi)發(fā)的功能強大的CCS軟件平臺。
飛控軟件按照軟件T程設計準則，采用模塊化結構進(jìn)行設計，使用C語(yǔ)言編程。軟件主要由初始化模塊、核心管理模塊、自主導航模塊、遙控遙測模塊、容錯模塊和輸出模塊等組成。其系統圖如圖3所示。

在上圖中初始化模塊完成系統軟、硬件的初始化以及參數的設置，完成主板、AD／DA和串口等硬件設備的初始化以及中斷設置等；遙控遙測模塊接收并執行地面指令以及發(fā)送遙測數據；起飛和著(zhù)陸模塊分別控制無(wú)人機的起飛和著(zhù)陸；自主導航用來(lái)對無(wú)人機進(jìn)行按航路自主導航；定時(shí)與中斷處理模塊完成與時(shí)間有關(guān)的周期性任務(wù)和中斷管理等。
2．3 無(wú)人機地面測控系統
無(wú)人機測控系統主要用于傳輸地面操縱人員的指令，用于傳送無(wú)人機的狀態(tài)參數、位置坐標等信息給地面站，實(shí)時(shí)顯示無(wú)人機的飛行參數、飛行姿態(tài)、航向和航跡，還可以對飛行數據進(jìn)行保存和回放。
無(wú)人機地面測控系統由測控計算機實(shí)現，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(guò)USB接口接入測控計算機，RS232為標準通訊接口，將鍵盤(pán)介入板卡上，輸出接至顯示器，這部分實(shí)現了離散指令的輸入和輸出；將操縱桿接到PC機上，完成連續指令的輸入和輸出。
對于實(shí)時(shí)飛行控制的相關(guān)功能來(lái)說(shuō)，最重要的是保證對無(wú)人機飛行控制操作的準確性與實(shí)時(shí)性，這就需要設計一種盡可能簡(jiǎn)單直觀(guān)、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，以VC++6．0為開(kāi)發(fā)環(huán)境，利用MFC，使用自頂向下的設計方法，將程序從系統架構上劃分為3個(gè)層次，6個(gè)子模塊來(lái)進(jìn)行開(kāi)發(fā)。如圖4所示。

在測控軟件中，輸入模塊負責響應和處理地面操縱人員的各種操作，飛行控制模塊根據地面操縱人員的輸入組織遙控指令幀序列，調用通訊模塊的接口向機載系統發(fā)送遙控指令幀，飛行狀態(tài)監測模塊負責從數據存儲模塊讀取并分析遙測幀數據，向圖形顯示模塊提供飛行狀態(tài)以及遙測數據分析結果。數據存儲與維護模塊既存儲從通訊模塊獲取的遙測幀數據，也記錄測控計算機發(fā)送的遙控指令幀，同時(shí)提供讀寫(xiě)接口以供其他模塊調用。通信模塊主要負責各個(gè)模塊間的數據和指令傳輸，顯示模塊用于顯示無(wú)人機的飛行狀態(tài)、遙測數據及參數曲線(xiàn)。

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(lái)飛行器動(dòng)力學(xué)解算，即實(shí)現飛行器飛行動(dòng)力學(xué)的實(shí)時(shí)數字仿真運算，按照模塊化設計思想，在VC++6．0的環(huán)境下，基于MFC，設計界面如圖5所示。

在該界面中顯示自主飛行時(shí)的航跡、高度、飛行參數和姿態(tài)變化的曲線(xiàn)，也可以用來(lái)航跡加載，設計滿(mǎn)足了要求。
3．2 半物理仿真試驗
在無(wú)人機飛行控制系統的研究與研制過(guò)程中，半實(shí)物仿真占據了較大的試驗內容。如圖1所示的系統圖，將各個(gè)分系統按照正確的方式連接起來(lái)，操作步驟如圖6所示。

無(wú)人機自主飛行航跡如圖7所示。

由圖7可知，無(wú)人機能夠按照預設的航跡自主飛行，整個(gè)過(guò)程中，直線(xiàn)段部分，無(wú)人機航跡偏距較小，在轉彎部分，偏距較大些，但是偏距在誤差范圍內，在第8個(gè)航點(diǎn)時(shí)，無(wú)人饑完成自主飛行任務(wù)，自主降落。半物理仿真試驗表明：該仿真平臺可行，具有一定的工程應用價(jià)值。

4 結束語(yǔ)
文中所提及的無(wú)人機飛行控制系統地面仿真平臺已做成成品，并且具備無(wú)人機進(jìn)行飛行狀態(tài)人工引導飛行和自主飛行全過(guò)程物理仿真試驗、檢驗無(wú)人機飛行控制系統技術(shù)可行性的功能，為以后無(wú)人機的研究奠定了堅實(shí)的基礎。