將HIL應(yīng)用于無人機制導(dǎo)、導(dǎo)航與控制

　　挑戰(zhàn):

　　在目標硬件上搭建一個系統(tǒng)，在實時控制仿真環(huán)境中，來驗證無人飛機(UAV)的制導(dǎo)、導(dǎo)航和控制(GNC)算法。

　　解決方案:

　　在開發(fā)的早期階段，開發(fā)一個硬件在環(huán)(HIL)測試環(huán)境來測試無人機GNC解決方案。

　　HIL測試環(huán)境是軟件仿真和飛機實驗的一個中間步驟，對于無人機GNC軟件的開發(fā)過程非常關(guān)鍵。通過HIL環(huán)境，工程師可以在一個可控的仿真環(huán)境中對無人機軟件進行測試。同時，它也能加速設(shè)計，縮短開發(fā)周期。

　　通過HIL環(huán)境，工程師可以發(fā)覺軟件仿真(主要是同步和定時)中沒有出現(xiàn)的問題，從而避免現(xiàn)場試驗的故障，并增加無人機團隊的安全性。

　　我們開發(fā)了一個通用的HIL平臺來設(shè)計驗證控制和導(dǎo)航算法。這個HIL測試環(huán)境完全集成在一個基于模型的設(shè)計開發(fā)周期中(見圖1)?！　?/p>

 

　　基于模型的開發(fā)

　　首先我們設(shè)計編改了無人機平臺，將其用于仿真，并將控制器和算法部署至硬件中。

　　我們根據(jù)基于模型的設(shè)計理念來完成這個任務(wù)。對于系統(tǒng)設(shè)計和仿真來說這是一個可靠方便的方法。使用代碼自動生成工具可以使我們減少設(shè)計時間，輕松完成對于測試架構(gòu)的重復(fù)利用，以及快速系統(tǒng)原型，從而形成一個連續(xù)的確認和驗證過程。

　　構(gòu)架的目的包括：在不同的硬件平臺上不用任何改變即可對模型重復(fù)利用;對設(shè)計測試套件模型進行重復(fù)使用以驗證目標系統(tǒng);將透明模型完全集成到目標硬件中，并創(chuàng)建一個系統(tǒng)的，快速的流程，將自動生成的代碼集成到目標硬件，從而使得控制工程師無需軟件工程師的參與，即可以快速測試模型(見圖2)?！　?/p>

 

　　對于這個項目，我們使用Simulink®公司的MathWorks軟件(我們還使用了Esterel Technologies公司的SCADE套件)開發(fā)了模型任務(wù)，并使用MathWorks和Real-Time Workshop®公司的軟件實現(xiàn)自動編碼。我們需要兩次不同的編改：在無人機中進行測試及執(zhí)行的算法是由ANSI C代碼編寫的，仿真無人機動態(tài)行為的數(shù)學模型將通過LabVIEW仿真接口工具包轉(zhuǎn)換至NI LabVIEW軟件動態(tài)庫中。

　　在最終的系統(tǒng)中，我們使用多個LabVIEW I/O模塊來仿真一些無人機航空電子和邏輯傳感器以及激勵器接口。

　　LabVIEW Real-Time PXI

　　PXI 是一個基于PC的平臺，可用于測試，測量和控制，能夠在不同的接口和總線中提供高帶寬和超低的執(zhí)行延時。在這個案例中，PXI需要在一個復(fù)雜的無人機模型中運行，該模型會在實時中以動態(tài)庫的形式被執(zhí)行。 在系統(tǒng)中使用PXI模塊能讓我們使用無人機上完全一樣的接口進行HIL仿真。所以，我們會以現(xiàn)場實驗完全相同的配置驗證GNC算法處理單元。這對于一些使用純仿真不足以捕捉所有硬件相關(guān)問題(例如信號噪音，錯誤和同步問題)的系統(tǒng)來說是十分重要的。

　　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。