無人機飛行控制系統(tǒng)地面仿真平臺設計與實現

摘要：為滿足無人機控制律參數調節(jié)及后期控制策略優(yōu)化的需要，以某型無人機為應用背景，提出了一種無人機飛行控制系統(tǒng)地面仿真平臺的設計方案。首先分析了該平臺的總體設計方案，然后介紹了主要分系統(tǒng)的設計，最后給出界面顯示和半物理仿真結果。半物理仿真結果表明：該平臺設計合理，具有一定的工程價值。
關鍵詞：無人機飛行控制系統(tǒng)；總體方案；分系統(tǒng)；仿真平臺；界面顯示

無人機的用途日漸廣泛，功能日趨完善，其飛行控制系統(tǒng)逐漸復雜，不確定因素也越來越多。飛行控制系統(tǒng)作為無人機的核心，對無人機安全飛行、有效完成任務具有著及舉足輕重的作用，為確保控制軟件的可靠性，需要建立相應仿真系統(tǒng)對其進行驗證。
無人機飛行控制仿真目前主要包括數字仿真和半物理仿真。半物理仿真將系統(tǒng)部分實物引入仿真回路，盡可能真實模擬現場情況，較數字仿真更能有效驗證飛行控制系統(tǒng)的可靠性，尤其在初期試飛調參及后期控制策略改進階段，應用廣泛。
文中利用現有的工程化輔助工具，建立無人機飛控設計與仿真試驗平臺，可用于無人飛行器的建模、飛行控制系統(tǒng)研究和開發(fā)、工程實現、半實物仿真和飛行試驗各個階段。

1 總體方案
以標準化體系結構為標準，利用計算機技術和工業(yè)標準總線技術，構建高性能飛行實時仿真系統(tǒng)，以滿足可靠性、可用性和易維護性要求。同時，作為先進飛行控制系統(tǒng)和航空電子關鍵技術的驗證平臺，還要滿足系統(tǒng)的模塊通用性、資源的可配置、可重構和可測試性。
將飛行仿真計算機、地面測控計算機、飛行控制計算機、慣性導航、三軸模擬轉臺、負載模擬器及執(zhí)行舵機等單元閉環(huán)連接，構成半物理仿真系統(tǒng)，如圖1所示。

如上圖所示地面仿真系統(tǒng)配置舵機的測角裝置實時采樣驗證機的舵面運動信號，通過仿真計算機解算驗證機空中的飛行運動特性，產生轉臺運動的激勵信號，仿真計算機將此信號通過串口通訊傳給轉臺控制柜，控制轉臺模擬飛行器姿態(tài)變化，由于慣性導航裝置安裝在轉臺上，慣性導航裝置將感受到的信號傳給飛控計算機，飛控計算機根據控制律對當前的狀態(tài)進行控制，并將解算出的姿態(tài)信號、飛行數據等經變換后傳給舵機，舵機產生動作，舵機測角裝置將測到的角度通過轉化通過并口傳給仿真計算機，從而形成閉環(huán)控制。

2 主要分系統(tǒng)設計
2．1 無人機仿真系統(tǒng)
人機仿真系統(tǒng)是整個半物理仿真系統(tǒng)的一個主要部分，它的計算任務繁重，與其它分系統(tǒng)的關系密切，輸入／輸出參數量大。
仿真計算機采用臺灣研華公司的工控機，研華ADAM562V主板，CPU為PⅣ3．0G，DDR／2G內存，250G硬盤，128M獨立顯卡，19英寸LCD顯示器，并配有型號為PCLS-711的模擬輸入接口板卡。型號為PCIS-722的數字接口。
無人機數學模型為六自由度非線性全量運動方程，具有高階多變量非線性時變特性。仿真軟件用四元數計算姿態(tài)角，四階龍格庫塔法解算動力學微分方程。飛行仿真系統(tǒng)的數學模型非常復雜，為使軟件邏輯清楚、界面清晰，需要進行模塊化設計，按照模塊化建模的思想，將動力學模型分解為氣動系數模塊、發(fā)動機模塊、風擾模塊、大氣模塊、初始化配平模塊、串口通訊模塊、多媒體時鐘模塊、繪圖模塊、加速度計、陀螺誤差模擬模塊、負載計算模塊和無人機動力學方程模塊，各模塊之間的信息傳遞關系如圖2所示。

2．2 無人機飛行控制系統(tǒng)
飛行控制系統(tǒng)是整個系統(tǒng)的核心，它負責著系統(tǒng)數據的采集、余度管理和控制律的計算等重要任務。
該地面仿真平臺中飛行控制器選用TI公司的高性能處理芯片TMS320F28335，該芯片是一款TMS320C28X系列浮點DSP控制器，具有精度高，成本低，功耗小，性能高，外設集成度高，數據以及程序存儲量大，A／D轉換更精確快速等優(yōu)點，并具有TI公司所開發(fā)的功能強大的CCS軟件平臺。
飛控軟件按照軟件T程設計準則，采用模塊化結構進行設計，使用C語言編程。軟件主要由初始化模塊、核心管理模塊、自主導航模塊、遙控遙測模塊、容錯模塊和輸出模塊等組成。其系統(tǒng)圖如圖3所示。

在上圖中初始化模塊完成系統(tǒng)軟、硬件的初始化以及參數的設置，完成主板、AD／DA和串口等硬件設備的初始化以及中斷設置等；遙控遙測模塊接收并執(zhí)行地面指令以及發(fā)送遙測數據；起飛和著陸模塊分別控制無人機的起飛和著陸；自主導航用來對無人機進行按航路自主導航；定時與中斷處理模塊完成與時間有關的周期性任務和中斷管理等。
2．3 無人機地面測控系統(tǒng)
無人機測控系統(tǒng)主要用于傳輸地面操縱人員的指令，用于傳送無人機的狀態(tài)參數、位置坐標等信息給地面站，實時顯示無人機的飛行參數、飛行姿態(tài)、航向和航跡，還可以對飛行數據進行保存和回放。
無人機地面測控系統(tǒng)由測控計算機實現，測控計算機的主板為研華ADAM-562V，測控汁算機是在Windows環(huán)境下運行的計算機，操縱桿通過USB接口接入測控計算機，RS232為標準通訊接口，將鍵盤介入板卡上，輸出接至顯示器，這部分實現了離散指令的輸入和輸出；將操縱桿接到PC機上，完成連續(xù)指令的輸入和輸出。
對于實時飛行控制的相關功能來說，最重要的是保證對無人機飛行控制操作的準確性與實時性，這就需要設計一種盡可能簡單直觀、便于地面操作人員操作的人機交互界面。本測控軟件采用Windows 2000操作系統(tǒng)，以VC++6．0為開發(fā)環(huán)境，利用MFC，使用自頂向下的設計方法，將程序從系統(tǒng)架構上劃分為3個層次，6個子模塊來進行開發(fā)。如圖4所示。

在測控軟件中，輸入模塊負責響應和處理地面操縱人員的各種操作，飛行控制模塊根據地面操縱人員的輸入組織遙控指令幀序列，調用通訊模塊的接口向機載系統(tǒng)發(fā)送遙控指令幀，飛行狀態(tài)監(jiān)測模塊負責從數據存儲模塊讀取并分析遙測幀數據，向圖形顯示模塊提供飛行狀態(tài)以及遙測數據分析結果。數據存儲與維護模塊既存儲從通訊模塊獲取的遙測幀數據，也記錄測控計算機發(fā)送的遙控指令幀，同時提供讀寫接口以供其他模塊調用。通信模塊主要負責各個模塊間的數據和指令傳輸，顯示模塊用于顯示無人機的飛行狀態(tài)、遙測數據及參數曲線。

3 半物理仿真界面顯示
3．1 仿真軟件界面顯示
仿真軟件主要用來飛行器動力學解算，即實現飛行器飛行動力學的實時數字仿真運算，按照模塊化設計思想，在VC++6．0的環(huán)境下，基于MFC，設計界面如圖5所示。

在該界面中顯示自主飛行時的航跡、高度、飛行參數和姿態(tài)變化的曲線，也可以用來航跡加載，設計滿足了要求。
3．2 半物理仿真試驗
在無人機飛行控制系統(tǒng)的研究與研制過程中，半實物仿真占據了較大的試驗內容。如圖1所示的系統(tǒng)圖，將各個分系統(tǒng)按照正確的方式連接起來，操作步驟如圖6所示。

無人機自主飛行航跡如圖7所示。

由圖7可知，無人機能夠按照預設的航跡自主飛行，整個過程中，直線段部分，無人機航跡偏距較小，在轉彎部分，偏距較大些，但是偏距在誤差范圍內，在第8個航點時，無人饑完成自主飛行任務，自主降落。半物理仿真試驗表明：該仿真平臺可行，具有一定的工程應用價值。

4 結束語
文中所提及的無人機飛行控制系統(tǒng)地面仿真平臺已做成成品，并且具備無人機進行飛行狀態(tài)人工引導飛行和自主飛行全過程物理仿真試驗、檢驗無人機飛行控制系統(tǒng)技術可行性的功能，為以后無人機的研究奠定了堅實的基礎。