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地面仿真平臺在無人機領域的應用

發布時間：2017-12-12 10:24:41

針對無人機控制律參數調整和后期控制策略優化的要求，基于無人機的應用背景，提出了無人機飛行控系統地面仿真平臺的設計方案。首先對平臺的總體設計進行了分析，然后介紹了主要子系統的設計。最后給出了界面顯示和半物理仿真結果。半實物仿真結果表明，該平臺設計合理，具有一定的工程應用價值。

無人機的使用越來越廣泛，其功能也越來越完善。飛行控制系統日趨復雜，不確定因素越來越多。飛行控制系統作為無人機的核心，對無人機的安全飛行和有效完成起著決定性的作用。為了保證控制軟件的可靠性，需要建立相應的仿真系統對其進行驗證。
目前，無人機飛行控制仿真主要包括數字仿真和半實物仿真。半實物仿真將系統的一部分引入到仿真回路中，盡可能地模擬場景。驗證飛行控制系統的可靠性，特別是在飛行控制初始階段和后期控制策略的改進方面，比數字仿真更有效。
在現有工程輔助工具的基礎上，建立了無人機飛行控制設計與仿真試驗平臺，可應用于無人機的建模、飛行控制系統的研究開發、工程實現、半實物仿真和飛行試驗等方面。以標準體系結構為標準，采用計算機技術和工業標準總線技術構建高性能實時飛行仿真系統，以滿足可靠性、可用性和維修性要求。同時，作為一種先進的飛行控制系統和航空電子設備的關鍵技術的驗證平臺，我們也需要滿足系統模塊的通用性，資源重構，可重構性和可測性。半物理仿真系統由飛行仿真計算機、地面控制計算機、飛行控制計算機、慣性導航、三軸模擬器、負載模擬器和執行舵單元組成。
角度測量裝置實時采集試驗機舵運動信號如上圖所示的轉向齒輪配置地面仿真系統，通過對飛行運動特性試驗機空氣計算機計算模擬，刺激的轉盤，計算機模擬信號通過串行通信對轉臺的控制柜，控制飛機姿態變化的模擬，因為慣性導航裝置安裝在轉盤上，慣性導航裝置的信號會對飛行控制計算機，根據當前狀態的控制律的飛行控制計算機，計算手勢信號，通過變換飛行數據傳送到轉向器、轉向器運動、轉向角測量裝置通過平行端口將測量的角度轉換為仿真計算機，從而形成閉環控制。

無人機仿真系統是整個半實物仿真系統的重要組成部分。它的計算任務繁重，與其他子系統密切相關。輸入/輸出參數大。
無人機數學模型是一個具有六自由度的非線性全運動方程，具有高階多變量非線性時變特性。仿真軟件使用四個元素計算姿態角和四階龍格庫塔法求解動力微分方程。飛行仿真系統的數學模型非常復雜，為了使軟件邏輯清晰，界面清晰，模塊化設計的需要，以模塊化建模的思想，動態模型分解為氣動系數模塊、發動機模塊、風模塊、初始化模塊、空氣平衡模塊、串口通信模塊、時鐘模塊、多媒體繪圖模塊、加速度傳感器等。
飛行控制系統是整個系統的核心，它負責著系統數據的采集、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高性能處理芯片，芯片是一款系列浮點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點，并具有所開發的功能強大的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。初始化模塊完成系統軟、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行地面指令以及發送遙測數據；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。無人機測控系統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、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，以VC++6．0為開發環境，利用MFC，使用自頂向下的設計方法，將程序從系統架構上劃分為3個層次，6個子模塊來進行開發。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發送遙控指令幀，飛行狀態監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、遙測數據及參數曲線。

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的環境下，基于MFC。在該界面中顯示自主飛行時的航跡、高度、飛行參數和姿態變化的曲線，也可以用來航跡加載，設計滿足了要求。

關鍵詞：無人機

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