某型無人機全機仿真平臺設計

【信息科學與控制工程】

某型無人機全機仿真平臺設計

路引1，郭昱津2，浦黃忠1，陳睿璟3

(1.南京航空航天大學無人機研究院， 南京210016；2.中電集團第二十八研究所，南京210007；

3.中航工業航空動力控制系統研究所，江蘇 無錫210063)

摘要：無人機控制系統仿真是驗證無人機控制策略、故障診斷和優化航線等的主要方式。針對某型無人機的研制需求，分析了無人機仿真系統的原理和仿真信息的傳遞機制，提出并設計了基于全機仿真的無人機飛行控制仿真平臺，包括：仿真計算機系統、飛行控制系統、地面測控系統和視景模擬系統。并將此仿真平臺應用于某型無人機飛行控制系統的全機仿真試驗中，試驗和測試結果表明：該仿真平臺設計合理并滿足飛行仿真要求，具有一定的工程應用價值。

關鍵詞：無人機；仿真平臺；分系統；軟件設計

收稿日期：2014-11-02

作者簡介：路引(1988—)，男，碩士，實習研究員，主要從事無人機飛行力學與飛行控制研究。

doi:10.11809/scbgxb2015.05.032

中圖分類號：V279+.2；TJ8

文章編號：1006-0707(2015)05-0123-04

本文引用格式：路引，郭昱津，浦黃忠，等.某型無人機全機仿真平臺設計[J].四川兵工學報，2015(5):123-126.

Citation format:LU Yin, GUO YU-jin, PU Huang-zhong, et al.Design on Full Machine Simulation Platform for a Certain UAV[J].Journal of Sichuan Ordnance,2015(5):123-126.

Design on Full Machine Simulation Platform for a Certain UAV

LU Yin1, GUO YU-jin2, PU Huang-zhong1, CHEN Rui-jing3

(1.Research Institute of Unmanned Aerial Vehicle, Nanjing University of Aeronautics and

Astronautics, Nanjing 210016, China; 2.The 28th Research Institute of China Electronics

Technology Group Corporation, Nanjing 210007, China; 3.Research Institute of Aviation

Motor Control System, Aviation Industry Corporation of China, Wuxi 210063, China)

Abstract:The control system simulation for UAV is the main way to verify its control strategy, fault diagnosis and optimal route etc. In view of the development needs for a certain UAV, we analyzed the theory of simulation system and transmission mechanism of simulation information, and proposed and designed the flight control simulation platform based on the whole machine simulation, which including: computer simulation system, flight control system, the measurement and control system and visual simulation system. The simulation platform was applied to the whole machine simulation test for a certain UAV. The test results show that the design of the simulation platform is reasonable and satisfied with the requirements of flight simulation, and has further engineering applications value.

Key words: UAV; simulation platform; subsystem; software design

無人機控制系統仿真主要為無人機設計和控制策略研究提供飛行試驗平臺。在無人機的設計、研制和使用過程中，無人機飛行控制系統的半物理仿真作為飛行前和飛行后的實時過程模擬是一個重要的性能評估手段和故障的再現手段[1]。針對某型無人機飛行控制系統地面半實物仿真系統的要求，設計和開發了基于全機仿真的無人機飛行控制仿真系統試驗平臺，全機仿真是建立在半物理仿真基礎上的全機系統檢測，將飛控和航電系統的全部實物都安裝在無人機的機身內，與飛行過程中的裝機條件完全一致，將無人機放置在三自由度的仿真轉臺上，建立合適的無人機仿真模型，進行包括傳感器、執行機構(伺服舵機)、機載航電系統在內的實物在回路仿真[2]。

1仿真系統原理

無人機全機仿真系統由無人機整機系統、飛行動力學仿真計算機系統、地面測控計算機系統、視景模

擬計算機系統、數據電臺、舵機測角裝置和三自由度姿態運動模擬平臺等組成，其系統組成如圖1所示。

慣導測量組件、飛控計算機、伺服舵機等均為無人機真實飛行時的機載設備，無人機整機安裝在三自由度姿態模擬轉臺上。三自由度模擬轉臺作為飛行仿真系統中的關鍵物理效應設備與飛行仿真計算機系統、飛行動力學數學模型、舵機測角裝置、操縱與控制裝置一起構成無人機的地面飛行過程實時仿真回路。操縱員通過操縱控制裝置操縱與控制無人機的飛行過程，通過仿真控制和管理計算機監測無人機飛行狀態，并通過視景計算機系統模擬的真實飛行場景觀測無人機飛行[3]。

三自由度模擬轉臺激勵慣導裝置，慣導信息作為飛控計算機的輸入，經過控制解算驅動舵機運動，舵機測角裝置實時采樣驗證飛機的舵面運動信號，通過仿真計算機解算驗證無人機空中的飛行運動特性，產生轉臺運動的激勵信號，從而形成閉環仿真回路。

圖1　無人機仿真系統原理框圖

2仿真信息傳遞機制

仿真系統各設備的信息傳遞包括了物理接口、模擬電壓、串行通訊、光纖通訊、并行接口和無線通訊等[4]。

無人機跟地面測控系統的實時通訊主要利用地面無線數據電臺完成上行和下行數據傳輸。通過分別設置信道上、下的工作頻率，采用機載天線完成機載遙測信號的接收和遙控指令的發送。全雙工電臺作為測控鏈路使用時，收發可以同時進行。電臺波特率為19 200 bps，數據位8位，無校驗位，上行每幀長為18 Byte。下行幀長48 Byte，采用主副幀結構，主幀40 Byte，副幀8 Byte。

機上飛控系統仿真主要由飛控計算機的舵偏信號經物理接口轉換成電壓信號驅動舵機偏轉，舵機測角裝置由碼盤測得實時舵面偏角由7122并口卡采集轉換成數字信號，仿真計算機實時接收偏角信號并通過動力學模型解算，計算出的姿態角信號由光纖傳輸到轉臺控制計算機，信號經物理接口功率放大驅動三自由度模擬轉臺運動，轉臺帶動無人機上慣導和陀螺裝置運動，信號由RS232串口送入飛控計算機，從而實現了各仿真效應設備和無人機之間的閉環信息傳遞。同時，由飛控計算機解算的飛行狀態信息由RS232串口傳輸到機載無線數據電臺完成下行數據發送。

地面測控臺通過USB接入操縱與地面控制裝置，并實時將控制信息由RS232串口傳輸到視景計算機和地面無線數據電臺，實現三維視景顯示和上行數據的發送。

為實現信號有效傳輸，各通訊方式都需要配備合適的接口卡。仿真計算機接口需配置6通道24位數字I/O口、10M以太通訊網絡和光纖反射式內存。地面操控計算機需配置1個USB接口和2個獨立RS232串口。轉臺控制計算機需配置10M以太通訊網絡和光纖反射式內存。

3仿真平臺分系統設計

3.1仿真計算機系統

對仿真計算機主要有4方面的要求：速度、精度、靈活性和經濟性。由于本仿真平臺要求實時承擔飛行動力學方程的求解和各種實際飛行環境的模擬，所以對速度的要求很高[5-6]。另外，仿真計算機要與其他外部物理效應設備進行通訊，進行信號轉換和傳遞，如 A/D、D/A 轉換和數字量的 I/O 以及開關量的傳遞。為了實現功能的擴展，仿真計算機選用臺灣研華工控公司的高檔工業控制計算機。

仿真界面如圖2所示，該軟件包括仿真參數和仿真參數設置2個對話框。其中，仿真參數對話框包括仿真數據顯示、動態航跡顯示、飛行姿態儀表和操作按鈕。仿真參數設置對話框主要設置飛機的起飛點、切點和起飛方式等。

圖2　仿真和仿真設置界面

3.2飛行控制系統

飛行控制系統是整個系統的核心，擔負著系統數據的采集、余度管理和控制律的計算等重要任務，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作為飛控計算機的處理器芯片[7]。該芯片是一款TMS320C28X系列浮點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點，并具有TI公司所開發的功能強大的CCS軟件平臺。

飛行控制軟件按照軟件工程設計準則，采用模塊化結構進行設計，使用C語言編程。飛行控制軟件按功能可分為4個部分，如圖3所示，分別為傳感器信號采集模塊、控制律解算模塊、控制信號輸出模塊以及無線數據通信模塊。為了提高程序的可維護性和可移植性，將每個模塊獨立封裝。當某個模塊性能和參數需要調整時，只需配置相應的模塊即可。

圖3　飛行控制系統軟件總體結構

3.3地面測控系統

選擇研華工業控制計算機作為地面測控系統的測控計算機。地面測控軟件采用 VC++6.0 開發，采用 Windows 可視化編程技術實現[8]，仿真系統中，實時遙控遙測軟件需具有以下功能：

1) 在無人機的飛行過程中，實現地面操縱者的控制指令的上行發送和遙測數據的實時下行接收；

2) 實現飛行參數的實時顯示，并可完成過程曲線的實時繪制；

3) 實現人機交互界面和無人機的操縱與控制；

4) 完成飛行數據的保存，為后續的研究工作提供數據分析平臺。

根據軟件所要完成功能的要求，在VC++開發平臺下，采用模塊化的思想對軟件進行總體設計。按照功能劃分，主要分為用戶界面、串口通訊和數據存儲3個模塊，各模塊之間的關系如圖4所示。按照數據模塊劃分，主要分為遙控、遙測和窗口刷新3個模塊，其系統圖如圖5所示。

圖4　遙控遙測軟件功能模塊

圖5　遙控遙測軟件數據模塊

實時遙控遙測軟件是操縱人員跟無人機交互的重要窗口，必須具備友好的人機交互能力。軟件設計了基于NI Mesaurement Studio AppWizard的友好界面，如圖6所示。

圖6　實時遙控遙測軟件界面

由圖6可以看出，界面左側以文本的方式顯示了飛機的飛行狀態和參數值。右側上部分是飛行儀表和三維飛行圖，更為直觀和立體的方式顯示飛行姿態，以方便操縱人員實時監控飛機的飛行狀態。右側中部分是遙測指令，分為指令盤和操縱桿2個部分，操縱人員可以通過指令盤或者操縱桿改變飛機飛行狀態，其中操縱桿的指令采集采用USB接口的操縱桿、腳踏式方向舵、油門組合，不需要專門的數據采集卡，軟件中需安裝好底層驅動就可以使用。右側下部分是GPS傳感器、遙控遙測和火工品等的狀態顯示燈，如GPS正常，則綠燈顯示，失效則紅燈顯示，該部分能很好地監測飛機上重要機載設備的工作狀態。設定每100ms刷新一次，因此設定定時器的周期為100ms。每次定時中斷到來時，對水平儀、航向儀的顯示和飛行參數列表中的數值進行一次刷新。

3.4視景模擬系統

視景模擬是飛行仿真系統中一個重要的組成部分，為操控員提供了實際飛行任務中的虛擬環境。其主要利用三維動畫建模軟件和視景仿真軟件，生成模型機飛行的模擬影像和外部的環境景象[9-10]。視景模擬計算機通過RS232串口從地面測控計算機實時接收模型機的飛行數據，即為模型機的動作驅動數據，依據這些數據，使得模型機模擬真實飛機外場飛行。

實時視景系統需使用專門的工具軟件進行開發，根據功能的不同分為三維建模軟件、視景仿真軟件等。在該模型機飛行仿真系統的視景模擬中將采用以VC++、OpenGL和MilkShape 3D為開發工具，使用場景優化和實時繪制技術實現飛行場景的模擬。利用OpenGL實現模型的變換、著色、紋理和動畫相較于其他軟件有很大的優越性，但是建立復雜模型相對困難很多，而MilkShape 3D在建立負載物體的模型上具有一定的優勢，但是很難用程序進行控制。因此，在OpenGL中實現對其程序控制和動畫，將兩者有機地結合在一起使用，各取所長是一種高效快捷的開發方式，利用這2個軟件平臺開發了該仿真系統的視景模擬軟件。主要實現步驟如下：

1) 利用MilkShape 3D建立無人機模型結構，并對模型進行紋理渲染和尺寸縮放使其接近真實的某型無人機。

2) 利用OpenGL中的函數對無人機模型紋理和材質等進行描述，形成模型參數列表并繪制成無人機模型。

3) 利用OpenGL實現飛行場景的描繪和渲染，包括飛行地形、天空、太陽和水的場景，并根據飛行需要進行場景視角的不同變換。

4全機仿真試驗

無人機在地坐標系中根據飛行任務按預定航線飛行，其預定航線如圖7所示。其橫坐標為東向距離，縱坐標為北向距離，航跡圖中1～15為飛行航點，無人機自主飛行時根據待飛航點沿預設航線飛行。

無人機飛行時，由測控臺發送起飛指令，無人機由航點0起飛，飛行高度高于100m后進入自主飛行，在空中飛行2圈后由航點10開始，返航，最終返回到航點15，結束一次完整的飛行任務。無人機仿真飛行軌跡如圖8所示。

圖7　無人機飛行預設航線

圖8　無人機飛行軌跡

5結束語

無人機全機仿真是無人機研制過程中的重要組成部分，根據某型無人機研制需求，提出了全機仿真試驗平臺，測試和試驗表明該平臺設計合理，達到了預期的目的，能夠很好地驗證無人機飛行控制策略、故障診斷和優化航線等。

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(責任編輯楊繼森)