飛行控制綜合實驗系統研制及應用

屈曉波,史靜平, 呂永璽, 王長青

(西北工業大學 自動化學院 實驗教學中心, 陜西 西安 710072)

實踐證明實驗教學是人才培養的一個重要手段[1-2]。本校借助自主研發的飛行控制開放性綜合實驗設備,以“自行設計、自由探索、自己動手、自主創新”為原則開展創新實踐。將課堂中講述的理論知識與實際工程問題相結合,啟發學生開展探索和研究式的自主學習和實踐,增強學習和動手實踐的能力,提高自主創新意識[3-4]。

飛行控制系統綜合實驗課程是一門結合了諸多實踐環節的開放性綜合實驗,是面向學生創新能力培養,并運用探究式的實驗教學模式進行深入研究。該實驗課程依托我院自動化教學實驗中心的團隊科研資源而開展的新型教學實驗。通過一系列精心設計的實驗內容和問題啟發、引導學生思考,為學生提供探究渠道和創新實踐機會,提高學生在面對復雜實際工程時獨立思考、分析問題和解決問題的綜合能力[5- 6]。

1 實驗系統總體方案

自主研發的面向有人駕駛/無人駕駛飛機的飛行控制半實物仿真教學實驗平臺集成了xPC實時仿真、VegaPrime三維視景仿真、GL Studio儀表顯示、自動駕駛儀、數字舵機、小型縮比飛行平臺等子系統[7-9],是一套閉環半物理實時仿真平臺,可供飛行控制相關專業的實驗教學使用。該系統以先進無人駕駛飛行器為被控對象,利用經典PID控制算法、現代飛行控制方法(特征結構配置、動態逆等)設計了飛機的自主飛行控制律,可進行數字仿真、半物理實時仿真驗證,同時具備空中遙控飛行、自動駕駛飛行演示驗證實驗教學功能。

1.1 系統實現方案

根據實驗系統建設目標,該實驗教學系統滿足人工操縱飛行控制實驗、自動飛行控制實驗的有效模擬,實驗硬件盡可能貼近真實物理設備,促使學生對飛機對象和飛行控制系統組成的理解和掌握。總體方案見圖1。

圖1 飛行控制半物理實時仿真實驗系統總體方案

1.1.1 飛機對象

選用為實驗室自主設計開發的先進無人機平臺(XQ-6B)作為被控對象(不限此對象),該飛機具有8個舵面、1個油門控制通道,如圖1所示。舵面典型分配構型如下:δ1L、δ1R、δ2L、δ2R同向偏轉,作為升降舵使用,用于控制飛機的俯仰運動；δ3L與δ3R差動組合偏轉,作為副翼使用,用于控制飛機的滾轉運動；左右兩側開裂式阻力方向舵dLSDR和dRSDR用于控制飛機的偏航運動[10]。該無人機不但可以作為實驗設備用于室內實驗教學,也可以進行室外遙控/自動飛行實驗,從而提升學生對飛行控制的興趣愛好,增強實驗教學設備的體驗感。

該飛機的氣動模型方面:采用基于CFD計算+試飛修改方法獲得的靜態、動態氣動數據。該無人機六自由度全量非線性仿真模型基于此數據搭建[10]。

1.1.2 小型導航飛控系統

針對飛行控制綜合實驗系統開發了一款基于STM32 Cortex-M4的硬件設備(DreamBuiler01),如圖2所示。該系統集成了三軸加速度計、三軸陀螺、三軸磁力計、GPS等導航傳感器設備,具備飛控解算、導航解算等功能,所有硬件接口均為學生開放。

圖2 DreamBuiler01 硬件(導航飛控、接口板)

實驗的初始階段,將編寫在Keil軟件上的飛控程序、導航程序經G-linker下載至DreamBuiler01。工作站顯示與控制軟件通過RS-232接口與DreamBuiler01通信,完成狀態讀取與指令發送功能[11]。飛行控制系統基本程序框架、板卡輸入/輸出接口程序、系統中斷服務程序、舵機驅動程序、典型縱/側向控制律人工飛行控制律程序、典型自動飛行控制系統程序均有實驗教學人員為學生提前編寫好,方便學生開展基本實驗,以及各種創新型開放性綜合實驗。

1.1.3 駕駛機構

包括駕駛桿、腳蹬與油門桿,均采用USB通信接口與工作站相連。駕駛桿用于操縱飛機的俯仰和滾轉控制通道；腳蹬用于飛機的航向控制；油門桿用于控制飛機的油門開度。

1.1.4 xPC 實時控制系統(工控機)

用于運行飛機的六自由度全量非線性仿真模型。該模型在工作站中搭建,完成測試檢驗后,以xPC target的模式通過8259網卡或RS-232串口下載到xPC工控機中。工控機上的xPC操作系統將實時運行并解算飛機數學模型(相當于虛擬飛機對象),通過UDP以太網絡向運行在工作站上的顯示與控制軟件發送飛機狀態數據。

1.1.5 工作站

運行Matlab Simulink 仿真分析軟件[12-13]、三維視景顯示與綜合控制軟件(各飛行控制模態實驗),實時采集駕駛機構控制操縱數據,并作為控制指令輸出至導航飛控系統中。另外,工作站上運行的三維視景子系統以UDP網絡通信的方式接收由工控機(飛機模型)發送來的飛機狀態數據,實時驅動3D飛機模型運動[14-16]。

1.1.6 執行機構

DreamBuiler01將控制律的解算輸出作為舵機的數字輸入信號,通過PWM波驅動方式直接輸送至安裝在被控飛機上的電動數字舵機,舵機在該指令后通過連桿機構驅動飛機的舵面偏轉,各個舵面功能和極性配置按照被控飛機的舵面布置設定。

1.1.7 小型三軸運動控制機構

按照被控飛機機體內部幾何尺寸和全機重量等約束條件,自制了小型三軸運動控制機構,安裝在飛機重心位置,用于測量和直觀地模擬飛機的三軸姿態角運動、姿態角速率參數信息,并將其作為反饋信號輸入至飛行控制器進行控制律的解算。

2 系統工作原理

實驗系統中工作站上運行Matlab Simulink仿真軟件與顯示、控制軟件,工控機中運行被控飛機六自由度非線性仿真模型,導航飛控硬件中運行飛機的控制律[17-20]。系統工作原理如下:

(1) 對被控飛機進行配平、線性化處理,獲得典型飛行狀態下飛機的縱向、側向線性化運動模型(狀態方程)，并分析飛機的縱向長周期長、短周期模態,橫側向滾轉模態、螺旋模態和荷蘭滾模態特性；

(2) 基于飛機線性模型設計人工操縱控制律、自動駕駛控制律、自動油門控制律等；

(3) 將所設計的諸多控制律代回非線性六自由度非線性模型,驗證控制律是否能夠滿足國軍標規范要求,并進行品質評價；

(4) 利用KEIL軟件實現面向STM32 Cortex-M4的程序代碼,并進行編譯、下載和調試；其中,飛控計算機的基本程序框架、硬件輸入/輸出接口程序、系統中斷服務程序、飛機舵機驅動程序、人工飛行控制律程序框架、典型自動飛行控制程序框架均為學員提前開發測試好；

(5) 連接并檢查線纜,啟動半物理仿真系統,機載導航飛控計算機電源接通,舵機電源接通,小型三軸運動控制機構電源上電；

(6) 采用Matlab Simulink以xPC Target的模式,將編譯好的非線性模型通過8259網卡或232串口下載至工控機中,實現實時運行和解算；

(7) 導航飛控硬件根據駕駛桿操縱指令、反饋通道的飛行狀態信息進行控制律解算,并將舵面指令輸出發送至工控機和飛機模型,實現飛機舵面偏轉；

(8) 工控機每一周期解算輸出飛機狀態數據將通過UDP通信模式回傳至工作站中的顯示與控制軟件中,利用三維視景、動態儀表方式實現對飛機狀態的監測和顯示。

3 實驗設備教學應用

3.1 教學實踐

飛行控制綜合實驗設備經過不斷改進、升級和優化,目前已作為實驗教學設備投入使用,并已經在多個高校展開推廣應用,該設備實物圖、三維視景仿真軟件主界面及實驗室效果圖如圖3—圖5所示。

圖3 飛行控制綜合實驗系統實物圖

圖4 三維視景仿真軟件主界面

圖5 飛行控制綜合實驗室效果圖

飛行控制綜合實驗課程涉及飛機總體、空氣動力學、飛行力學、電機電氣,以及導航制導與控制等學科知識,具有基礎性、系統性、開放性、實踐性、創新性5大特色。該實驗教學系統主要使用對象包括自動化專業、飛行控制專業以及飛行器設計專業的本科生、研究生。可開展的典型飛行控制實驗教學項目見表1。

表1 典型飛行控制系統實驗教學項目

表1(續)

飛行控制綜合實驗課程以先進布局飛行器為控制對象,通過計算機模擬飛行、半物理實時仿真、真實遙控操作/自動駕駛飛行等豐富的實踐內容,充分將相關基礎知識、系統專業知識與實踐操作相結合,最大限度地促使學生理解現代飛機/無人機的系統組成、掌握飛機自動控制的設計原理等,增強學生的實踐能力,培養和提高學生的創新意識,實現學生綜合素質提升。

3.2 教學反饋

逼真的被控對象和三維視景仿真環境極大地激發了學生學習的熱情和動力,實實在在的飛機、舵機、發動機、導航飛控硬件(接口開放)等儀器設備為學生提供了探究式學習平臺,可以明顯培養并提高學生工程實踐意識和解決實際問題的能力。飛機本身就是極為復雜的一個系統,借助于本綜合實驗系統,通過多層次、分階段的實驗教學項目，循序漸進培養學生對飛行控制系統的認知、分析、設計和綜合系統測試的能力。同時,通過學生主動反饋、教師積極完善相關實驗設備和實驗內容,進一步優化實驗教學方法,探索教學改革途徑,提高實驗教學水平和質量。

4 結語

以培養工程型、研究型人才的教學需求為指導,自主研發了基于STM32 Cortex-M4微處理器的飛控系統綜合實驗系統,并成功應用于國內諸多航空院校的飛行控制實驗教學中,獲得了良好的實驗教學效果,培養和提高了學生的實踐能力和創新意識。飛行控制系統實驗設備的研制及應用,有助于實施開放性綜合實驗教學與實踐,豐富和拓展實驗教學資源,為“飛行動力學與飛行控制”核心課程以及“雙一流”建設提供了有力支撐。