無人直升機著艦控制仿真系統設計與實現

明 浩 祖家奎

(南京航空航天大學自動化學院 江蘇 南京 210000)

0 引 言

艦載型無人直升機是在海況環境下飛行并以海面移動的艦艇或船舶為起飛和回收平臺的，其飛行受到海風復雜環境影響；其起飛回收受到空間、時效性、動態性以及精確性等因素的約束[1]。因此艦載型無人直升機飛行控制要比陸基的控制難度大。為了降低研制成本、減小試飛風險，艦載無人直升機飛行仿真系統的設計開發則尤為重要[2]。

針對飛行控制仿真驗證系統，國內外學者展開了大量研究，多是以常規陸基飛行仿真的技術要求開發的[3-4]，尚不能滿足海基環境和特殊功能要求下的仿真驗證。本文針對某型無人直升機由陸基型升級為海基型的技術要求，提出了其飛行控制仿真的系統方案，然后建立了艦船、直升機運動學模型和艦機仿真通信機制，并基于桌面端實時操作系統設計了飛行控制軟件(以下稱“等效飛控”)的整體架構。隨后針對仿真過程中的視景軟件驅動、艦面控制軟件等技術細節給出了具體的實現方案。最后通過仿真測試驗證了系統的可行性，從而為艦載無人直升機飛行控制系統的研制奠定了基礎。

1 需求分析與方案設計

為了實現海基環境下無人直升機飛行與起降回收控制，需要艦船與機載飛控系統進行實時地信息交換和有效控制，機載飛控需要實時地獲取直升機與艦船的相對和絕對運動信息，同時艦船的實時搖晃和運動信息也要傳輸到機載飛控。因此，需要兩套數據通信系統來實現艦/機信息交換：一是常規的飛控地面站測控鏈路；二是艦/機運動信息的通信鏈路。此外，還要進行艦船運動建模，并對地面站軟件、飛行視景軟件以及飛行控制軟件等做出更改。根據上述技術需求，提出了如圖1所示的方案，其中X-Plane主要完成對包括UMH以及著艦干擾等在內的仿真模型的動態解算和視景顯示，等效飛控則是實現無人直升機導航解算、制導與控制的相關實時運算。艦載地面站負責接收操作人員指令，并展示著艦軌跡和相關數據。操縱桿提供備份控制通道。在緊急狀況下操作人員可以手動控制返航。轉發中繼則是實現網絡通信和串口通信之間的轉換。

圖1 著艦仿真系統整體架構示意圖

2 系統設計與實現

2.1 模型建立

(1)

Rotorlib提供了專門的配平/線性化接口。配平操作按高度和速度矢量計算配平狀態。

[xtrimutrimytrim]=rltrim(heliH[VxVyVz])

(2)

線性化操作在配平狀態基礎上按小擾動原理獲取增量方程：

[ABCD]=rllinmod(xtrimutrimytrim)

(3)

(4)

式中：狀態量包括三軸位移、三軸速度、三軸角速率和地面系歐拉角。輸入量包括總距、縱橫向周期變距和尾槳距。

2.1.2 艦船運動模型艦船基準運動模型為：

(5)

式中：us為艦船船舷方向的航行速度，vs為垂直于船舷方向的航行速度，ψS0為船舷航向角。此外采用正弦波疊加的方式近似模擬艦船六自由度擾動運動[5]：

(6)

式中：Yi、ωt、φi分別為各疊加運動的幅值、頻率和初始相位。

2.2 艦機通信與信息交換艦機通信是指等效飛行控制與艦載地面站之間的電臺通信，通信協議如圖2所示。其中上行數據是用戶發出的指令例如：艦面起飛、脫離、爬高、艦面跟隨、著艦回收等，相關指令在500 ms之內未收到來自等效飛控的回報，自動重新發送最多3次。否則認為艦機通信失敗。下行數據較為龐大，基本涵蓋了大部分UMH和艦船的運動信息[6]。為了避免占用過多系統資源，采取“快速”、“中速”、“慢速”三種頻率下發數據。例如數據更新率較低的經緯度、高度等信息采取“慢”幀發送，發送頻率1 Hz。而更新率較快的內環姿態等信息采取快幀發送，頻率為20 Hz。

圖2 艦機仿真通信協議示意圖

圖3 艦機仿真通信協議示意圖

2.3 等效飛行控制等效飛行控制軟件根據艦船和UMH的位姿信息完成導航、制導與控制的解算，實現對無人直升機著艦的精確控制。相當于桌面端的虛擬飛行控制計算機。軟件開發平臺為Visual Studio,開發語言為C語言。組成模塊間數據輸入輸出關系如圖3所示，各個模塊之間采用共享內存的方式進行數據交換。每個模塊都至少包含一個實時循環運算任務，各任務的頻率、優先級、堆棧大小由表1給出。數據融合和導航解算負責為制導模塊和控制模塊提供飛行絕對和相對位姿信息，數據融合兼有濾波和傳感器容錯功能。制導模塊分為水平模態管理和垂直模態管理，UMH水平模態包括：懸停、回轉、縱飛、橫飛、直飛、轉彎、定速跟隨等。垂直模塊包括自動起飛、定高跟蹤、自動著艦、自動回收等模態。控制律解算任務根據制導模塊給出的控制指令的同時采用經典的PID控制完成對縱向、橫向、航向和總距四個通道變距同步解算，為了防止輸出變距的跳變，同時進行的還有變距軟化。通信模塊由數據接收任務和數據發送兩個子任務構成，采用查詢方式完成與轉發中繼之間的串口通信。數據記錄模塊以數據流形式存儲控制參數和飛行數據，是整個飛控軟件的“黑盒子”。

表1 等效控制仿真任務調度表

圖4 直升機和艦船三維視景模型

2.4 著艦視景與數據驅動著艦視景軟件接收來自等效飛控的舵面信息，完成動態模型解算和三維視景展示。本文采用的是X-plane 9專業飛行仿真軟件，其使用葉素法將無人直升機分割成有限的元素，通過對這些元素分別進行受力分析，結合飛機的重心和質量等數據，計算飛機的加速度，進而可以得出速度和位置等信息[8]。模型解算的速度可以通過Operations&Warnings菜單下的Flight-model選項進行設置，考慮到本文的研究對象是輕小型無人直升機，所以設置為每圖形幀3次模型解算[9]。UMH的和艦船的三維視景模型如圖4所示。將兩臺運行X-Plane的計算機和等效飛控計算機連接到局域網中，其中一臺負責傳輸無人直升機的運動信息，另一臺中將飛機永久固定于艦艇的飛行甲板的降落點上，間接獲得艦艇的六自由度運動信息。二者需處于同一機場附近，雙方通過 Net connects菜單下的IP of Multi-player選項實現地景共享。同時將二者的Data Receiver選項均設置為轉發中繼所在的IP地址以實現數據傳輸。網絡連接的所有的發送端口號設置為49000,接收端口號設置為49005。建立網絡連接之后，X-Plane可以經過轉發中繼向等效飛控軟件周期性發送飛機與艦船的狀態信息，同時接收來自等效飛控軟件解算出的槳距、油門等信息，上下行通信協議如圖5所示，其中包同步幀頭為5個字節，內容為“DATA0”。數據組標簽號可以從DataIput&Output菜單下查詢到[10]，例如俯仰角、滾轉角和航向角的標簽號為18，數據段占用36個字節，由該組數據按順序依次排列，表2列出了X-Plane中槳距和發動機的相關信息。

圖5 X-Plane數據交互協議示意圖

上行舵面標簽號字節位置范圍縱向周期變距115-8[-1．0，1．0]橫向周期變距111-4[-1．0，1．0]總距391-4[1．5，14．5]槳距394-8[-1．0，1．0]油門251-4[0．0，10．0]

圖6 飛行軌跡加載流程示意圖

2.5 艦面控制軟件艦面控制站是基于Qt圖形界面框架設計開發的，主要完成對飛行狀態和著艦過程的直觀展示并接收操作人員的指令發送給等效飛控。主要包含以下模塊：(1) 數字地圖顯示模塊：該模塊是基于百度地圖API開發的，主要用于顯示預設航路，當前飛機、艦船的航跡等信息。Qt與Javascript腳本之間的交互過程如圖6所示。軟件運行時，首先由QWebview加載JavaScript腳本文件，當需要從Qt調用JavaScript相關函數時，使用QWebview自帶的函數即可實現。而反向的從JavaScript至Qt的回調，則先將需要回調的函數定義為公共槽函數類型，然后使用該對象名稱和實例指針暴露給JavaScript腳本，從而實現相關函數的調用。(2) 實時飛行數據顯示模塊：實時飛行數據顯示功能包含了三個部分：曲線模塊、平顯模塊、數值顯示模塊。實時數據曲線模塊通過開源繪圖曲線類QCustomplot展現高度、速度、以及變距的變化趨勢；平顯模塊采用矢量圖疊加的方式模擬航空儀表盤，將飛行器的高度、垂向速度、地速、姿態角、航向角等數據直觀地呈現出來；飛行狀態和飛行數據幀顯示模塊均采用數據表格的形式，采用定時刷新的方式更新數據，更新頻率為2 Hz。(3) 著艦控制指令模塊：飛行控制指令模塊用于給機載飛控發送控制指令。在遙控面板上包含三類指令信息，分別是：通用指令、功能指令和遙調指令，當用戶按鈕觸發時，會觸發指令發送消息，相應槽函數會進行數據的組幀和串口發送數據。(4) 參數配置及數據記錄模塊：參數配置模塊是允許用戶通過地面站配置UMH相關信息，如傳感器安裝位置，控制律參數等信息。也可以通過文件直接進行參數導入。數據記錄模塊則會記錄地面站接收到的所用數據，以便數據回放模塊重現控制過程。

3 系統綜合測試

為驗證仿真系統的相關設計目標，對系統進行了聯合測試仿真。系統測試圖片如圖7所展示，由上至下依次為艦載地面站截圖、視景截圖和系統整體效果圖，經過測試驗證表明，仿真系統各項功能正常。達到了預期設計目標。

圖7 系統運行實物圖與界面

4 結 語

本文從需求出發，設計了仿真系統的整體框架，建立了著艦仿真系統所需的各項數學模型。完成各個局部子系統的模塊劃分與實際開發,在μC/OS-II實時操作系統桌面端移植的基礎上，完成了等效飛行控制軟件的設計開發，基本還原了機載飛控運行環境與核心功能。在X-Plane的基礎上完成了著艦三維視景的展示和數據的交互，最后基于C++圖形用戶界面開發框架Qt，實現了艦載地面控制站軟件的開發，并設計了相關通信機制，完成了各個設備之間的實時數據交換和實時仿真測試。實現了著艦控制系統導航、制導和控制算法的快速實時仿真。達到了預期效果，具有一定的工程實用價值。

參考文獻

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