基于Windows+RTX 的便攜式無人機測試系統設計與實現

薛艷峰

(中國人民解放軍92419 部隊，遼寧葫蘆島 125106)

無人機在國內軍事和民用方面應用日趨廣泛，與此同時，無人機的技術水平、復雜程度也越來越高，自主導航、遠程遙控、航線再規劃等技術被廣泛應用。對于完成無人機地面技術準備、指標測試的設備得到了關注，用戶對其功能和要求也在逐步提高，特別是在軍事應用領域，“無人機系統”概念的不斷深入和“六性”設計被廣泛要求的情況下，地面測試設備不再是配套附屬地位，已成為衡量一套無人機系統保障性的重要部分。

本文區別于上下位機的應用系統實現方式，研制了1 套基于Windows +RTX 操作系統的PXI 總線便攜式計算機為核心的無人機測試系統，將無人機技術準備過程中的單項、綜合及仿真測試工作集成到1 臺計算機中，保證了仿真測試實時性要求，同時也降低了系統復雜度，提高了維修性，更好地貼近了用戶提出自動化、便攜性、通用性等要求。

1 測試需求分析

1.1 無人機基本工作原理

該型無人機系統主要包括無人機、地面測試系統、地面保障設備、地面指揮測控站等，其中無人機主要由機體、動力分系統(包括渦噴發動機、ECU、燃油系統和進氣道)、飛行控制與管理分系統、電氣分系統、遙控遙測分系統和回收分系統等組成。全系統機載設備信息交換原理如圖1 所示。

飛行控制與管理系統是無人機完成飛行任務的核心，包括飛行導航與控制計算機、衛星+捷聯慣性組合導航系統、無線電高度表、大氣數據系統(包括大氣數據計算機、總靜壓管)、舵機等構成。飛行導航與控制計算機采用數字信號的形式，通過ECU 控制供油油量，得到發動機轉速，實現對發動機的閉環控制。飛行導航與控制計算機負責飛行控制、飛行管理以及機載設備管理等任務，具有自主飛行和人工遙控飛行2 種飛行模式，并配合測試設備完成全機指標性能測試。

圖1 無人機機載設備信息交換原理

1.2 測試需求分析

無人機地面技術準備測試主要包括對無人機機載涉電設備的單項測試、綜合測試和仿真測試。上述測試基本實現了對無人機的基層級測試工作，可確定無人機功能和性能指標是否滿足技術要求，可將故障定位到機載可更換單元，具體測試內容及要求如下:

單項測試包括電氣單項測試、回收系統單項測試、飛控系統單項測試、發動機單項測試。其中飛控系統單項測試包括組合導航系統測試、大氣數據計算機定點和動態測試、無線電高度表單項測試、舵系統單項測試、主傳動比測試等，通常安排在設備裝機后進行。

綜合測試主要通過模擬無人機全過程飛行流程，檢查全機電氣連接的正確性，檢驗各分系統間信息交互正確性，通常安排在單項測試后進行，也通常應用于無人機技術狀態固化后，遠距離轉場或較長時間未飛行的節點測試。

仿真測試主要用于檢驗和測試無人機的核心設備(飛控導航與管理計算機)的功能、策略是否正常，規劃的航路是否與無人機飛行特性吻合，并檢驗其在邊界條件、干擾環境下的飛行特性、飛行導航是否滿足要求等。

2 系統設計

2.1 系統硬件組成

基于集成化、自動化、通用化、便攜性的設計理念，本系統設備主要包括測試計算機，以及程控直流電源、大氣數據測控儀、陀螺儀表綜合試驗轉臺、無線電高度信號測試儀等通用儀器儀表和用于設備連接的接口箱、配套電纜等。

測試計算機機箱采用了PS PXI-9106。該機箱兼容PXI和CompactPCI 總線模塊，其中1 槽為系統控制器槽位，可配合最大三槽寬的嵌入式控制器使用。機箱內配置了1 塊控制器、1 塊多功能數據采集卡、2 塊串口卡。其中控制器采用了PS PXI-3051 型高性能控制器，采用Intel 酷睿i5 雙核處理器，基礎主頻2.7 GHz，集成256G SSD 硬盤，4GB DDR2 內存，集成了2 個千兆以太網口，2 個視頻輸出端口。多功能數據采集卡采用了PS PXI -3354 型采集卡，板卡提供16 路18bit、1.25MSPS 采樣率模擬輸入通道，4 路16bit、200kSPS 更新率同步模擬輸出通道，16 路DIO，2 路最大計數頻率120MHz、位寬32bit 的計數器。模擬輸入輸出、數字輸入輸出及計數器與主控側電路采用了電氣隔離，有效防止了被測量系統共模電壓的引入，隔離耐壓大于560 V，適用于高可靠性，高安全性的自動化測試測量以及數據采集應用。串口卡采用了PS PXI-3510 智能串口卡，可提供8 路異步串口，每通道串口模式可獨立配置，支持RS -232/422/485，232 可達1Mbps 通信速率，422/485 可達10Mbps 通信速率。

該測試計算機采用了一體化結構設計，集成了12.1 英寸LCD 液晶觸摸屏及鍵盤、觸控板、觸控筆等，可通過定制的適配器，以BNC，SMA，圓形航空插頭，大規?；ヂ摻涌诘确绞脚c其他設備進行信號連接。根據使用場合要求，本設備采用了圓形航空插頭形式的適配器，將板卡輸入輸出與接口箱進行相連，保證了設備的可靠連接、提高了設備的操作性。

程控直流電源用于測試過程中對機供電，大氣數據測控儀用于大氣數據計算機測試過程中的標準氣壓源，陀螺儀表綜合試驗轉臺用于測試慣性組合導航系統過程中性能的基準平臺，無線電高度表測試儀采用延時線的方式，實現了不同高度的模擬。上述通用儀器儀表均可以采用RS422/485通信進行自動控制。

2.2 軟件系統設計

1)單項測試和綜合測試軟件

測試軟件由LabVIEW 開發而成，采用分層調用的形式實現。它是面向流程的軟件設計，并不是采用結構化編程方式的設計。軟件結構共分3 層:第一層為應用層，為主程序模塊，用于調度相應的軟件任務;第二層為連接層，由硬件功能模塊和應用功能模塊組成，用于連接應用層與底層驅動;第三層為接口模塊，為底層儀器的驅動函數，完成對儀器設備的配置和交互。

LabVIEW 是一種用圖標代替文本行創建應用程序的圖形化編程語言，采用數據流編程方式，程序框圖中節點之間的數據流向決定了VI 及函數的執行順序。該軟件提供很多外觀與傳統儀器(如示波器、萬用表)類似的控件，可用來方便地創建用戶界面。用戶界面在LabVIEW 中被稱為前面板。前面板創建完畢后，便可使用圖形化的函數添加源代碼來控制前面板上的對象。在程序框圖上添加圖形化代碼，即G 代碼或程序框圖代碼［1-2］。

2)仿真測試軟件

仿真測試軟件按照功能劃分成非實時部分和實時部分，分別運行在Windows 7 平臺和RTX2011 實時子系統上，采用了實時信號量和共享內存的方式實現了2 部分的有機結合。非實時部分主要包括人機界面、結果處理等，實時部分主要包括無人機動力學仿真和機載設備仿真等。

軟件實時部分仿真建模采用了Simulink/RTW 開發工具，生成源代碼后下載至RTX 實時子系統中。RTW 是MATLAB 圖形建模和仿真環境Simulink 的一個重要的功能補充模塊，是一個基于Simulink 的代碼自動生成環境，可直接從Simulink 模型中產生優化的、可移植的和個性化的代碼，并根據目標配置自動生成多種環境下的程序。

RTX2011 是WINDOWS 的一個插件，是一個真正的擴展，也沒有影響、修改它的基礎，其中包括RTSS 實時子系統。其實時功能可以按照WindowsXP 驅動開發工具(DDK)和HAL 模型來實現。RTSS 實時子系統調度機制采用優先級和搶占算法，確保了關鍵線程的上下文切換，可在微秒的范圍內轉向更高優先級的線程，支持高達32 個處理器，計時器精度最高可達0.001 ns，其在概念上與其他WindowsXP 子系統(例如win32、POSIX、和DOS)相似［3］。

RTX2011 實時系統支持Windows XP、windows7、windows Vista，支持Microsoft Visual Studio2005、2008、2010 集成開發環境，為開發人員提供了一個一體化的開發平臺進行開發，極大地簡化了開發流程。該實時系統在不增加額外的硬件設備的情況下，把windows 操作系統打造成實時操作系統，與采用上下位機通過以太網進行數據交換的方式相比，實時性更強，比反射光纖網進行數據交換更直接，將硬實時和GUI高級特性集成在同一硬件平臺上，明顯增加了系統的可靠性，降低了開發和調試難度［4-5］。

2.3 基本工作原理

1)信號采集與激勵控制

一般情況下，對模擬量的測量可采用數字萬用表或A/D。數字萬用表模塊的測量范圍標稱可以達到直流1 000 V，在測量輸入范圍和測量精度上相比A/D 更適用。掃描A/D 測量方式具有響應快的技術特點，對于精度要求不是很高的測量完全可以勝任。本系統電壓測試精度要求不超過0.01 V，對于18 位的采集卡來說完全可以勝任，因此在設計中未考慮采取數字萬用表。

測試設備向無人機施加的激勵主要包括:對機供電、施加開關量指令、發送指令幀數據、發送舵控電壓信號等內容，其通過IO 控制電路、串口卡、DA 輸出來實現。

2)飛行仿真

無人機仿真主要包括無人機飛行動力學仿真和無人機仿真，其仿真信息交鏈關系見圖2。飛行動力學仿真主要由以下幾個模塊組成:氣動模塊、運動方程模塊、質量特性模塊、大氣模塊、風模塊、紊流模塊等，其根據無人機操縱舵面、發動機推力、人工初始賦值、無人機質量、重心等輸入數據，針對無人機氣動模型，仿真解算出無人機的高度、空速、俯仰角、經緯度位置等信息，輸出到無人機系統仿真模型。

“氣動模塊”計算無人機的氣動系數、氣動力和力矩。氣動系數是飛行高度、速度、迎角、側滑角以及速度等飛行參數的函數，不同型號無人機的氣動數據是上述飛行參數的函數。本系統采用插值法求取氣動系數［6］。

“運動方程”模塊解算無人機六自由度非線性全量運動方程，獲取無人機的姿態和位置以及其他飛行參數。在該模塊中，首先綜合無人機所受的各種力和力矩，包括重力、氣動力、發動機推力，及其各種力矩，計算沿機體軸的線加速度和角速度，然后應用積分產生無人機的合成速度等。將風和紊流擾動速度加到機體軸線速度上，用來計算飛行軌跡參數［7］。

無人機仿真主要包括機載傳感器、舵機、回收分系統等設備的仿真。仿真通常分為總體性能仿真、集成部件仿真。對于該無人機仿真測試系統，采用設備總體性能仿真即可滿足系統仿真應用，例如將發動機系統當作一個整體，對其主要輸入、輸出性能進行建模，視推力和轉速為主要輸出性能參數，而油門舵機位置作為輸入參數來進行仿真。在仿真模型建立過程中，為進一步提高仿真逼真度，在設計過程中也考慮了設備輸入輸出數據的誤差模型、誤差外部注入等。

3 測試應用

3.1 單項測試和綜合測試

該系統具備手動測試和自動測試2 種模式。例行技術準備過程中，通常采用自動模式，按照設計的測試流程、測試標準對無人機電氣設備進行測試。測試完成后，可按照規定的表格輸出結果數據，并標識測試結果是否正常。若出現測試結果不正常的情況，可采取手動測試的模式進行單步測試，以確定故障設備及故障類型。在單項測試中，基本實現了單個部件或分系統的測試，例如大氣數據計算機、無線電高度表、發動機控制系統等，滿足了對無人機可更換單元的故障定位要求。

圖2 無人機仿真信息交鏈示意圖

測試過程設備連接如圖3 所示。

圖3 單項及綜合測試設備連接示意圖

3.2 仿真測試

仿真測試過程中，通過對機測試電纜與安裝于無人機上的飛控導航與控制計算機進行相連，實現對其的仿真測試。設備連接如圖4 所示。

圖4 仿真測試設備連接示意圖

4 結束語

該系統設計過程中充分考慮了用戶實際使用需求，選用了高可靠性、可擴展的PXI 總線計算機，采用數據采集卡替代了常用的矩陣開關+數字萬用表的方案，采用了Windows+RTX 的操作系統方案，滿足了實時性要求，降低了開發難度。通過實際使用對比，系統測試功能全面，可靠性高，具有較高的借鑒價值［8］。

［1］宋宇峰.Lab Windows/CVI 逐步深入與開發實例［M］.北京:機械工業出版社，2003-04.

［2］王曉飛，李巖，劉旺開.基于LabVIEW 的環境模擬試驗數據采集系統［J］.兵工自動化，2009，28(2):76-78.

［3］孔繁峨，陳宗基.基于RTW 和Vxworks 的飛行控制系統實時仿真［J］.系統仿真學報，2007，19(11):2455-2457.

［4］孫玉寶，趙廣寧，陶震鵬.基于虛擬儀器的導彈測試自動記錄儀設計［J］.四川兵工學報，2010，31(5):43-45.

［5］吳佳楠，王偉，周軍濤，等.基于RTX 實時模塊的飛控系統綜合測試系統實現［J］. 測控技術，2010，29(9):72-76.

［6］尹超.基于MATLAB/RTW 和Vxworks 的飛行模擬器實時仿真研究［J］.軟件導刊，2010，9(12):86-87.

［7］李強，王民崗，楊堯.飛行控制系統快速原型設計與實現［J］.計算機測量與控制，2009，17(7):1305-1307.

［8］莫祿，車達生，王宏偉.某型裝備繼電器系統自動測試設備設計［J］.四川兵工學報，2011，32(1):62-64.