某無人機飛控系統(tǒng)半實物仿真平臺設(shè)計

摘要：介紹了某型無人機飛控系統(tǒng)半實物仿真平臺的總體功能，闡述了該平臺的硬件選型原則、選型方案、基本功能及自制部件的設(shè)計過程，對各分系統(tǒng)仿真軟件設(shè)計框架進行了描述。最后，通過實際仿真對平臺的設(shè)計功能進行了驗證。該平臺也可用于對無人機飛行品質(zhì)的仿真評估，以及無人機指揮操控人員的日常模擬訓(xùn)練。
關(guān)鍵詞：無人機；飛行控制系統(tǒng)；半實物仿真；傳感器仿真

0 引言
無人機作為模擬飛機類來襲目標，可為防空武器系統(tǒng)的火控雷達校飛、射擊等任務(wù)提供空中靶標，是武器系統(tǒng)研制、鑒定過程中必不可少的裝備。作為無人機的核心組成部分之一，飛控系統(tǒng)通過控制無人機的姿態(tài)，從而完成無人機各種模態(tài)下的飛行任務(wù)。某無人機飛控系統(tǒng)現(xiàn)有的測試方法包括分立部件測試和部件裝機后的整機綜合測試。兩種方法均屬于常規(guī)的靜態(tài)測試，組織實施復(fù)雜、測試效率較低、任務(wù)準備周期長，而且對于無人機實際飛行過程的動態(tài)性能無法驗證，對測試中出現(xiàn)的故障難以定位，對于飛行中的環(huán)境干擾因素(主要是風干擾)和傳感器失效后無人機的飛行情況也無法模擬，從而無法有針對性的進行飛行控制策略修正。綜上問題，研制一套無人機飛控系統(tǒng)半物理仿真平臺的任務(wù)顯得尤為迫切。

1 平臺總體功能及設(shè)計方案
1．1 平臺總體功能
該平臺以現(xiàn)有某型無人機飛控系統(tǒng)為測試對象，主要完成以下功能：
(1)與無人機飛控計算機和電動舵機、油門電機等實物結(jié)合，完成飛控系統(tǒng)的仿真測試；
(2)具備風干擾、力矩干擾條件下的飛行性能模擬，并以二維曲線方式實時顯示無人機的飛行航跡、舵偏角、舵偏角速率等變化情況；
(3)能夠進行無人機飛控系統(tǒng)部分傳感器的故障設(shè)置，進行故障情況下的飛行模態(tài)仿真。
1．2 平臺總體設(shè)計方案
半物理仿真平臺由硬件設(shè)備和應(yīng)用軟件兩部分組成。硬件設(shè)備包括新建的飛行系統(tǒng)模擬分系統(tǒng)、傳感器與機載測控模擬分系統(tǒng)、遙控／遙測模擬分系統(tǒng)、指揮顯示分系統(tǒng)、無人機外形顯示分系統(tǒng)，以及現(xiàn)有的飛控計算機、飛控計算機接口箱、電動舵機、油門電機等實物。應(yīng)用軟件包括新建各分系統(tǒng)的應(yīng)用程序。半物理仿真平臺的原理組成框圖如圖1所示。

半物理仿真平臺的工作原理概況如下：傳感器與機載測控模擬分系統(tǒng)通過接口箱與飛控計算機交換無人機的舵偏角、角速率、油門開度、遙控指令、外部干擾等信息，并向飛行系統(tǒng)模擬分系統(tǒng)傳輸采樣轉(zhuǎn)換后的飛控計算機執(zhí)行結(jié)果，向遙控／遙測模擬分系統(tǒng)傳輸遙測信息(包括傳感器與機載測控模擬設(shè)備的仿真數(shù)據(jù)、故障狀態(tài)、遙控指令回令等)。飛控計算機將接收到信息進行解算處理后，控制電動舵機、油門電機執(zhí)行相應(yīng)動作，并將執(zhí)行結(jié)果返回至傳感器與機載測控模擬分系統(tǒng)。飛行系統(tǒng)模擬分系統(tǒng)將解算后的飛機狀態(tài)參數(shù)送到無人機外形顯示分系統(tǒng)，解算后以三維動畫的形式顯示無人機的姿態(tài)、油門開度、高度變化等信息。指揮顯示分系統(tǒng)將收到的無人機位置、高度、速度信息在數(shù)字地圖上顯示，適時發(fā)出指揮口令，由操作手干擾無人機的飛行。無人機的三維外形、測控數(shù)據(jù)、指揮顯示界面通過KVM切換器分時在投影幕上顯示。

2 平臺硬件設(shè)計方案
2．1 平臺硬件選型原則
(1)應(yīng)用軟件運行平臺選擇原則
由于該平臺屬于固定式測試設(shè)備，因此在各分系統(tǒng)應(yīng)用軟件運行平臺的硬件應(yīng)盡量采用機架式工控機或臺式計算機，主板插槽的數(shù)量和類型應(yīng)相對充裕，以便于現(xiàn)有硬件板卡的安裝和平臺的后續(xù)功能拓展。
(2)數(shù)據(jù)采集卡的選型原則：一是保證通道數(shù)；二是保證采樣頻率；三是保證數(shù)據(jù)分辨率。
2．2 平臺硬件選擇方案
(1)傳感器與機載測控模擬分系統(tǒng)
該分系統(tǒng)包括了大量的信號采集、交換及處理任務(wù)，硬件采用工控機架構(gòu)。配置數(shù)據(jù)采集卡、多串口卡以及自研的信號調(diào)理卡，完成數(shù)據(jù)采集與信息交換。
具體硬件型號和基本參數(shù)為：
工控機選用西門子547B：64位CPU處理器，4個PCI插槽，1個PCI-Ex16圖形擴展接口。
多串口卡選用MOXA CP 118U：4路RS 232／422／485 PCI串口，串口通信速率為921．6 Kb／s；板載1 5 kVESD突波保護。
D／A卡選用NI PCI-6733：8路D／A，數(shù)據(jù)更新速率1 MS／s(16b)，8路數(shù)寧I／O。
A／D卡選用NI PCIe-6259：4路D／A，數(shù)據(jù)更新速率為1 Ms／s(16 b)，32路A／D通道數(shù)；A／D采樣速率為2．8 MS／s(16 b)，48路數(shù)字I／O。
DIO卡選用NI PCIe-6503：24路數(shù)字I／O。
(2)飛行系統(tǒng)模擬分系統(tǒng)、遙控／遙測模擬分系統(tǒng)
這兩個分系統(tǒng)主要是進行無人機和測控數(shù)據(jù)的傳輸和解算，其硬件組成比較簡單，選用帶有多種類型主板插槽的普通商用臺式計算機即可，配置MOXA CP118U多串口卡。
(3)指揮顯示分系統(tǒng)、無人機外形顯示分系統(tǒng)
這兩個分系統(tǒng)主要是進行指揮、顯示應(yīng)用軟件的運行，選用帶有多種類型主板插槽的普通商用臺式計算機即可。
2．3 自制信號調(diào)理卡設(shè)計
傳感器與機載測控模擬分系統(tǒng)與遙控／遙測模擬分系統(tǒng)、飛行系統(tǒng)模擬分系統(tǒng)、飛控計算機接口箱等部分進行數(shù)據(jù)交換時，通過D／A，A／D，DIO板卡完成信號轉(zhuǎn)換時，會受到機箱內(nèi)復(fù)雜電磁環(huán)境的影響，導(dǎo)致輸出信號帶有很強的噪聲，需要對其進行濾波處理。另外，由于飛控計算機接口箱輸入輸出電壓均為+27 V，而D／A，A／D，DIO板卡工作電壓均為+5 V，因此還需要設(shè)計信號調(diào)理卡完成信號濾波和工作電壓的轉(zhuǎn)換。信號調(diào)理卡與外部部件連接示意圖如圖2所示。