在無人機制導、導航與控制中應(yīng)用半實物仿真

　　GPS仿真器

　　通過Spirent GSS8000 GPS仿真器，我們能夠仿真并生成用戶選擇的GNSS星座衛(wèi)星所發(fā)出的相同的射頻信號。這些信號會以飛行實驗相同的方式傳送到無人機上真實的GPS傳感器，并能仿真慣性傳感器(加速度計和回轉(zhuǎn)儀)。我們可以指定不同的情況，降級信號，指定天線模式及模擬IMU傳感器錯誤。

　　板載處理單元

　　我們在實時操作系統(tǒng)(QNX或VxWorks)中運行一個PC/104單元，操作系統(tǒng)中包含了算法和控制策略，用于測試自動代碼生成工具和集成架構(gòu)創(chuàng)建的代碼的完成。我們在現(xiàn)場實驗的真實無人機中也使用了相同的單元。

　　可視化

　　我們可以使用Simulink External Mode軟件對無人機進行調(diào)試。通過這個軟件，我們可以監(jiān)測用戶需要實時知曉的信號值。此外我們可以改變嵌入式處理單元中所執(zhí)行算法的參數(shù)。在操作中所使用的界面，與控制工程師在仿真設(shè)計算法時所使用的界面完全一樣。由此，整個測試環(huán)境完全透明，而且能以同現(xiàn)場測試一樣的方式進行HIL測試，從而大幅減少開發(fā)時間。

　　結(jié)果

　　對比飛行遙測和使用同樣的GNC算法的HIL仿真，可以表明HIL的精準性和與真實測試結(jié)果的相似性。

　　我們在一架改裝過的無線電控制的直升飛機上集成了幾個傳感器(加速度計，回轉(zhuǎn)儀，磁力計，GPS和一個高度計)和一個處理單元(見圖3)，將其轉(zhuǎn)變成一架無人機，進行飛行測試?！　?/p>

圖3：實驗中使用的基于CB5000 RC直升機改裝而成的無人機

　　無人機在沒有過沖或任何一個永久誤差的情況下，達到了水平面要求的參考值(見圖4和圖5)。HIL仿真和真實的飛行測試結(jié)果極其一致?！　?/p>

圖4：北方位置對比結(jié)果　　

圖5： 西方位置對比結(jié)果

　　結(jié)論

　　HIL環(huán)境非常適用于測試包含真實硬件的整個系統(tǒng)。使用NI PXI，我們在實時狀態(tài)下以低延時仿真了一個復雜的無人機模型，并完美模擬了航空設(shè)備界面。

　　這個環(huán)境能檢測出軟件仿真中無法顯示的錯誤，從而避免現(xiàn)場實驗意外的發(fā)生。因為控制工程師在設(shè)計，開發(fā)和驗證過程中也會使用相同的可視化和調(diào)試工具，由此可以快速重復循環(huán)，減少開發(fā)時間。