無(wú)人機系統模塊開(kāi)發(fā)設計與仿真

　　在開(kāi)發(fā)的早期階段，開(kāi)發(fā)一個(gè)硬件在環(huán)（HIL）測試環(huán)境來(lái)測試無(wú)人機GNC解決方案。HIL測試環(huán)境是軟件仿真和飛機實(shí)驗的一個(gè)中間步驟，對于無(wú)人機GNC軟件的開(kāi)發(fā)過(guò)程非常關(guān)鍵。通過(guò)HIL環(huán)境，工程師可以在一個(gè)可控的仿真環(huán)境中對無(wú)人機軟件進(jìn)行測試。同時(shí)，它也能加速設計，縮短開(kāi)發(fā)周期，通過(guò)HIL環(huán)境，工程師可以發(fā)覺(jué)軟件仿真（主要是同步和定時(shí)）中沒(méi)有出現的問(wèn)題，從而避免現場(chǎng)試驗的故障，并增加無(wú)人機團隊的安全性。開(kāi)發(fā)了一個(gè)通用的HIL平臺來(lái)設計驗證控制和導航算法。這個(gè)HIL測試環(huán)境完全集成在一個(gè)基于模型的設計開(kāi)發(fā)周期中（見(jiàn)圖1）。

　　圖1 ： HWIL測試環(huán)境示意圖

　　基于模型的開(kāi)發(fā)

　　首先我們設計編改了無(wú)人機平臺，將其用于仿真，并將控制器和算法部署至硬件中。根據基于模型的設計理念來(lái)完成這個(gè)任務(wù)。對于系統設計和仿真來(lái)說(shuō)這是一個(gè)可靠方便的方法。使用代碼自動(dòng)生成工具可以使我們減少設計時(shí)間，輕松完成對于測試架構的重復利用，以及快速系統原型，從而形成一個(gè)連續的確認和驗證過(guò)程。

　　構架的目的包括：在不同的硬件平臺上不用任何改變即可對模型重復利用；對設計測試套件模型進(jìn)行重復使用以驗證目標系統；將透明模型完全集成到目標硬件中，并創(chuàng )建一個(gè)系統的，快速的流程，將自動(dòng)生成的代碼集成到目標硬件，從而使得控制工程師無(wú)需軟件工程師的參與，即可以快速測試模型（見(jiàn)圖2）。對于這個(gè)項目，使用Simulink®公司的MathWorks軟件（我們還使用了Esterel Technologies公司的SCADE套件）開(kāi)發(fā)了模型任務(wù)，并使用MathWorks和Real-Time Workshop®公司的軟件實(shí)現自動(dòng)編碼。需要兩次不同的編改：在無(wú)人機中進(jìn)行測試及執行的算法是由ANSI C代碼編寫(xiě)的，仿真無(wú)人機動(dòng)態(tài)行為的數學(xué)模型將通過(guò)LabVIEW仿真接口工具包轉換至NI LabVIEW軟件動(dòng)態(tài)庫中。

　　圖2： 基于模型的開(kāi)發(fā)流程

　　在最終的系統中，我們使用多個(gè)LabVIEW I/O模塊來(lái)仿真一些無(wú)人機航空電子和邏輯傳感器以及激勵器接口。

　　LabVIEW Real-Time PXI

　　PXI 是一個(gè)基于PC的平臺，可用于測試，測量和控制，能夠在不同的接口和總線(xiàn)中提供高帶寬和超低的執行延時(shí)。在這個(gè)案例中，PXI需要在一個(gè)復雜的無(wú)人機模型中運行，該模型會(huì )在實(shí)時(shí)中以動(dòng)態(tài)庫的形式被執行。 在系統中使用PXI模塊能讓我們使用無(wú)人機上完全一樣的接口進(jìn)行HIL仿真。所以，我們會(huì )以現場(chǎng)實(shí)驗完全相同的配置驗證GNC算法處理單元。這對于一些使用純仿真不足以捕捉所有硬件相關(guān)問(wèn)題（例如信號噪音，錯誤和同步問(wèn)題）的系統來(lái)說(shuō)是十分重要的。通過(guò)Spirent GSS8000 GPS仿真器，我們能夠仿真并生成用戶(hù)選擇的GNSS星座衛星所發(fā)出的相同的射頻信號。這些信號會(huì )以飛行實(shí)驗相同的方式傳送到無(wú)人機上真實(shí)的GPS傳感器，并能仿真慣性傳感器（加速度計和回轉儀）?？梢灾付ú煌那闆r，降級信號，指定天線(xiàn)模式及模擬IMU傳感器錯誤。

　　圖3：實(shí)驗中使用的基于CB5000 RC直升機改裝而成的無(wú)人機

　　板載處理單元

　　在實(shí)時(shí)操作系統（QNX或VxWorks）中運行一個(gè)PC/104單元，操作系統中包含了算法和控制策略，用于測試自動(dòng)代碼生成工具和集成架構創(chuàng )建的代碼的完成。我們在現場(chǎng)實(shí)驗的真實(shí)無(wú)人機中也使用了相同的單元。我們可以使用Simulink External Mode軟件對無(wú)人機進(jìn)行調試。通過(guò)這個(gè)軟件，我們可以監測用戶(hù)需要實(shí)時(shí)知曉的信號值。此外我們可以改變嵌入式處理單元中所執行算法的參數。在操作中所使用的界面，與控制工程師在仿真設計算法時(shí)所使用的界面完全一樣。由此，整個(gè)測試環(huán)境完全透明，而且能以同現場(chǎng)測試一樣的方式進(jìn)行HIL測試，從而大幅減少開(kāi)發(fā)時(shí)間。

　　對比飛行遙測和使用同樣的GNC算法的HIL仿真，可以表明HIL的精準性和與真實(shí)測試結果的相似性。在一架改裝過(guò)的無(wú)線(xiàn)電控制的直升飛機上集成了幾個(gè)傳感器（加速度計，回轉儀，磁力計，GPS和一個(gè)高度計）和一個(gè)處理單元（見(jiàn)圖3），將其轉變成一架無(wú)人機，進(jìn)行飛行測試。無(wú)人機在沒(méi)有過(guò)沖或任何一個(gè)永久誤差的情況下，達到了水平面要求的參考值（見(jiàn)圖4和圖5）。HIL仿真和真實(shí)的飛行測試結果極其一致。

　　圖4：北方位置對比結果

　　圖5： 西方位置對比結果

　　HIL環(huán)境非常適用于測試包含真實(shí)硬件的整個(gè)系統。使用NI PXI，我們在實(shí)時(shí)狀態(tài)下以低延時(shí)仿真了一個(gè)復雜的無(wú)人機模型，并完美模擬了航空設備界面。這個(gè)環(huán)境能檢測出軟件仿真中無(wú)法顯示的錯誤，從而避免現場(chǎng)實(shí)驗意外的發(fā)生。因為控制工程師在設計，開(kāi)發(fā)和驗證過(guò)程中也會(huì )使用相同的可視化和調試工具，由此可以快速重復循環(huán)，減少開(kāi)發(fā)時(shí)間。