基于半實物仿真平臺的通用無人機系統模擬器設計

倪怡濤 李俊杰 李曉明

摘 ?要：無人機本身是一個復雜的機電系統，是機械、電子、通訊、控制、信息等技術的高度融合體，如何模擬無人機單元是這些系統開發的一個重要課題。本文提出了基于通用半實物仿真平臺的無人機模擬方案，與傳統的數學模型或數據驅動模型方案相比，該模擬方案更接近真實系統，更容易模擬各種故障，同時也更容易與真實系統進行替換，方便系統整體的開發、測試與運行。提出的模擬器方案基于單元模擬，通過對無人機系統內各個單元的數據交互和通訊協議進行抽象，以真實的接口實現單元之間的數據交互，將無人機飛行模型仿真單元嵌入系統中，實現最大程度接近真機的模擬。測試表明，該模擬方案不但可以用于總體系統的開發和調試，而且對無人機自身的研制、測試等起到了關鍵作用。

關鍵詞：無人機系統;組件;仿真;通訊

中圖分類號：TP311.5 ? ? 文獻標識碼：A

Abstract： Unmanned Aerial Vehicle （UAV）， a complex electromechanical system， is a high integration of machinery， electronics， communication， control， information and other technologies. How to simulate the UAV unit is an important topic in developing these systems. This paper proposes a UAV simulation solution based on semi-physical simulation platform. Compared with traditional mathematical model or data-driven model program， the simulation solution is closer to the real system， easier to simulate various faults， and easier to match the real system. The system facilitates the overall development， testing and operation of the system. The unit-based simulator solution proposed realizes data interaction between units by abstracting data interaction and communication protocol of each unit in the UAV system with a real interface. UAV flight model simulation unit is embedded in the system to realize the simulation as close as possible to the real machine. Tests show that the simulation solution proposed can not only be used for development and debugging of the overall system， but also play a key role in the development and testing of the UAV itself.

Keywords： UAV system; component; simulation; communication

1 ? 引言（Introduction）

無人機已廣泛應用于航空、航天、測控和勘探等領域，其開發測試技術和流程越來越精細和復雜，無人機系統的仿真模擬技術應運而生。目前國內傳統無人機系統的開發仿真模擬平臺大多采用計算機半自動化的方案，例如LabVIEW[1-2]、MATLAB/Simulink[3]等提供仿真環境，通過軟件提供的模塊構建仿真模型;基于機器人操作系統（ROS）仿真環境[4]，通過ROS集成的可視化功能為無人機系統提供環境信息獲取、無人機動力模型搭建及可視化操作[5];基于組件化建模技術、消息總線結構等思想，構建無人機仿真實驗模型對無人機系統進行半實物仿真[6-7]。

但是，在進行設備模擬、仿真實驗時，開發人員必須手動操作和協調多個測試設備的控制計算機或上位機軟件進行配合測試。我國現有的無人機系統模擬平臺較多，但是缺少具備自動化、通用化和可伸縮化等特點的無人機系統模擬平臺，導致無人機模擬開發測試效率低下，難以滿足現代化的無人機開發測試需求。針對該問題，本文以按照網絡化儀器概念自研的模塊化組合通用測試儀器系統為基礎[8]，對滿足現代化需求的無人機半實物仿真平臺進行研究，通過對無人機系統內各個單元的數據交互和通訊協議進行抽象，進行軟硬件結合的單元模擬，提出了基于通用半實物仿真平臺的無人機模擬方案，最后使用該平臺完成無人機半實物仿真實驗。

2 ? 無人機系統模擬器方案設計（Program design of Unmanned Aerial Vehicle system simulator）

現有的設備模擬方案基本上可以分為兩類，分別是數據驅動[9]和仿真驅動[10]。前者通過預設的數據模型來模擬設備的輸入輸出數據與總系統進行交互，如圖1所示;而后者則是通過數學模型和輸入數據進行計算得到輸出數據與總系統進行交互，如圖2所示。

基于數據模型的模擬適合固定流程與通訊協議的設備模擬，例如設備自檢、狀態查詢等，但對于無人機這種動態系統不太合適;基于仿真模型的模擬則相反，能夠動態地生成模擬數據，但對于無人機系統開發流程各環節，通訊等行為的模擬有困難，另外模擬的效果取決于數學模型的真實性，大多數情況下難以保證。

本文提出了基于半實物平臺的無人機設備模擬方案，該方案將無人機各個子系統（單元）虛擬化，但各單元的通訊接口采用實物實現，通過接口傳送的信號均為真實物理信號。虛擬化的單元運行于計算機系統內，通過數據驅動或者仿真驅動的方式接收真實的輸入信號，同時在對應的接口處生成應答的信號。該方案結構如圖3所示。

無人機系統可以抽象為飛行模型模擬單元、慣組模擬單元、控制器模擬單元、發動機模擬單元、視覺模擬單元、通訊模擬單元等六個模擬單元。通過該結構圖可以看出，本文提出的模擬方案基于半實物仿真平臺，通過模擬各個單元的模型及其之間的相互通訊從而實現總體的設備模擬。具體到每個單元的模擬，則可以分別采用數據模型或者仿真模型的方式來實現。

該方案是在本課題組自研的半實物仿真平臺基礎上設計實現的，該半實物仿真平臺硬件上采用組合式結構，通過自有知識產權的儀器總線將嵌入式主機、各個DSP擴展模塊、電源系統等連接在一起，可根據需要選擇不同的DSP擴展模塊，例如CAN通訊模塊、串口模塊、專用計算模塊等。嵌入式主機運行嵌入式操作系統，可以通過以太網絡接口與上位機PC進行通訊;軟件上開發了基于組件的運行平臺和開發平臺，提供了圖形化編程的應用開發方式以及所見即所得應用界面開發方式。

3 ? 無人機模擬器半實物仿真平臺設計與實現（Design? ?and implementation of semi-physical simulation? ? ?platform for Unmanned Aerial Vehicle simulator）

3.1 ? 無人機模擬器系統架構設計

無人機系統模擬以課題組自研的模塊化組合通用測試儀器系統為基礎，用基于組件化的開發平臺/運行平臺來實現無人機系統的模擬。應用軟件開發平臺構成方面，無人機半實物仿真平臺主要由運行在上位機的客戶端、主機的服務端和前端擴展板的軟件程序構成。

無人機系統模擬器采用三層架構的設計，三層閉環模擬系統分為：上位機閉環、主機閉環和前端閉環，如圖4所示。上位機閉環顯示無人機系統的人機界面，模擬數據顯示與應答;主機閉環根據上位機下發的指令和數據進行無人機功能模擬，進行無人機系統內部單元模擬;前端閉環是進行無人機真實單元設備的數據和交互，完整地模擬設備的真實運行。三個層次之間通過數據通訊技術來實現同步，并實現數據自上而下的分解，例如上位機閉環處理的是無人機本體的相關數據，主機閉環處理的是各個模擬單元的標準數據，前端閉環則負責將標準數據轉換為前端對應的專用設備可以識別的專用數據或信號。

為了保證模擬器系統的通用性，需要將無人機模擬器內的數據進行標準化，制定各單元間標準的通訊協議，這樣在上位機、主機和前端之間交互的數據就是內部的、標準化的數據[11]。所有的數據處理、控制流程、模型計算等都可以標準化并實現通用化;前端與外部物理接口輸入輸出的數據（信號）是面向應用的，是專用的，由前端模塊里的DSP程序負責轉換，如圖5所示。

3.2 ? 無人機系統模擬器主機與前端通訊接口選擇

無人機系統模擬器是模擬真實的無人機設備，系統內部常用設備有慣組、控制器、發動機、視覺傳感器等，不同功能、生產廠家和型號的設備產品的硬件體系結構、程序語言定義和具體程序編制等往往不同，它們對外開放的硬件通訊接口和軟件通訊協議通常也都各有差異，因此，需要對真實無人機系統內部模塊的硬件通訊接口進行梳理歸納，如表1所示。

由此可見，無人機系統中各單元之間通訊方式大部分是標準的通訊接口，可以選用課題組開發的通用IO前端模塊系列來實現。該IO通訊系列前端具有標準化的各類硬件通訊接口，包括USB接口、LAN接口、CAN總線接口、RS232/422/485接口等，解決了半實物仿真系統中無人機系統硬件通訊接口不足的問題。對于特別稀有的通訊接口，可以開發專用的前端模塊來解決。

3.3 ? 無人機模擬器系統應用高層通訊協議

應用高層協議是主機與DSP前端之間數據交換的標準化協議。該協議建立在半實物仿真平臺內部高速儀器總線通訊協議的基礎上，在設計時除了數據字段外，預留了32位留給應用層協議實現。該32位主要影響的是發送數據包的優先級問題，由于優先級與具體的操作和消息類型有關，因此該32位主要用來定義發送的消息和數據的類型以及標識。

應用高層協議主要描述的是數據/消息的標識定義方法以及該數據/消息攜帶的數據的具體封裝格式[12-13]。因此，無人機高層協議里主要需要抽象出完整系統中各種數據和消息的定義及結構并標準化，實現通用。

由于數據和消息依賴于具體的單元，因此首先對無人機設備的硬件類型進行歸納，如表2所示。

下面以慣組模擬單元為例介紹高層協議的設計。

慣組模擬單元主要進行環境參數采集、初始經緯度數據采集、初始三軸加速度采集、初始三軸角速度采集、導航參數設置和導航數據采集等操作，如表3所示是慣組模擬單元的每個操作及其對應的參數集合。慣組模擬的類型編號為0，基礎操作編號是指該類測試硬件單個基礎操作的編號，可以對慣組模擬單元的特定數據進行采集與設置。無人機系統的總線實現了優先級仲裁功能，高優先級的消息能更快地得到響應，因此將慣組模擬單元數據采集、設置以及無人機系統設備設置類從低到高設置優先級。無人機系統硬件的類型數和操作數都在10 個以內，因此將測試硬件類型、優先級和基礎操作編號分別預留4 byte、2 byte和4 byte。

3.4 ? 無人機模擬器仿真模型實現

無人機系統模擬器可以抽象為飛行模型組件、慣組組件、控制器組件、發動機組件、視覺組件、通訊組件等基礎組件，這些組件遵循通用儀器平臺組件設計規范，能夠被設計平臺和運行平臺自動識別，并在設計和運行階段提供相應的參數屬性設置以及預設的功能、操作等。

無人機系統內部設備抽象為單元模擬組件之后，設計相關組件具體功能，如表4所示。

以慣組組件為例，如圖6所示，該組件實現模擬慣組設備功能：（1）進行實時仿真慣組的行為模擬;（2）接受控制器模塊發來的指令和數據;（3）根據接受的指令做動作或應答;（4）產生應答數據發送給控制器模塊，對數據進行實時打包和傳遞。對該組件，我們定義三個輸入端口和兩個輸出端口，具體組件的端口類型、數據類型、功能說明如表5所示。

4 ? 實例測試（Example demonstration）

本實驗基于課題組的模塊化組合通用測試儀器系統，實物如圖7所示。在軟件構成方面，無人機測試平臺主要由運行在主控計算機上的客戶端、主機的服務端以及前端的DSP程序組成;應用開發平臺主要由測試界面（UI）軟件開發平臺、測試應用軟件開發平臺、下載管理工具和其他擴展插件組成;測試界面軟件開發平臺包括UI組件庫、UI組件更新軟件、測試界面可視化編程軟件和測試界面運行軟件等部分，其功能是組件的加載和更新，為UI組件提供界面屬性編輯視圖，允許用戶以嵌套界面組件的方式組合和編輯無人機仿真測試界面，最終運行生成無人機測試界面軟件;測試應用軟件開發平臺主要是應用組件庫、應用組件更新軟件、測試應用可視化編程軟件（分別為客戶端和服務端）和測試應用運行軟件，為應用組件提供加載和更新的功能，其屬性編輯視圖允許用戶以拖放組件圖標和組件端口連線的方式組合和編輯無人機仿真測試應用，最終運行生成無人機測試應用軟件。

進行無人機系統半實物仿真測試，流程圖如圖8所示，搭建無人機客戶端的測試界面軟件和應用軟件。本實例進行慣組組件的單元模擬測試。

首先從應用組件庫通過拖拉的方式將組件圖標拖入可視化編程視圖中，如圖9所示;再通過嵌套的組合搭建UI測試頁面，編輯組件屬性;最后綁定開發平臺組件的端口進行數據交互，運行測試應用軟件進行無人機系統的半實物仿真。

通過上位機客戶端展示無人機系統模擬器的實時仿真數據，可以按照測試要求搭建界面數據信息展示組件，啟動按鈕可以開始無人機界面測試軟件的運行，指示燈表示軟件運行狀態，如圖10所示。

通過上位機客戶端與主機服務端互相通訊，運行界面測試軟件，實時展示無人機慣組組件的傳感器數據、導航數據等，如圖11所示。

5 ? 結論（Conclusion）

本文所提出的模擬器方案基于單元模擬，通過對無人機系統內各個單元的數據交互和通訊協議進行抽象，以真實的接口實現單元之間的數據交互，將無人機飛行模型仿真單元嵌入系統中，實現最大程度接近真機的模擬。測試表明，使用基于模塊化組合通用測試儀器系統的無人機系統測試平臺對無人機單元模擬測試，通過組合模塊化組件的方式搭建無人機測試軟件，說明無人機系統測試平臺能夠與不同硬件通訊接口和軟件通訊協議的無人機系統單元進行通訊，驗證了無人機系統測試應用通訊協議的有效性。本文所提出的模擬方案不但可以用于總體系統的開發和調試，同時對無人機自身的研制、測試等也提供了一個重要的平臺。

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作者簡介：

倪怡濤（1995-），男，碩士生.研究領域：無人機系統仿真模擬的關鍵技術.

李俊杰（1986-），女，碩士，工程師.研究領域：測試與診斷，軟件開發.

李曉明（1976-），男，博士，副教授.研究領域：機電系統集成，軟件開發.本文通訊作者.