400 025 3599 
針對(duì)無(wú)人機(jī)控制律參數(shù)調(diào)整和后期控制策略優(yōu)化的要求，基于無(wú)人機(jī)的應(yīng)用背景，提出了無(wú)人機(jī)飛行控系統(tǒng)地面仿真平臺(tái)的設(shè)計(jì)方案。首先對(duì)平臺(tái)的總體設(shè)計(jì)進(jìn)行了分析，然后介紹了主要子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。最后給出了界面顯示和半物理仿真結(jié)果。半實(shí)物仿真結(jié)果表明，該平臺(tái)設(shè)計(jì)合理，具有一定的工程應(yīng)用價(jià)值。
無(wú)人機(jī)的使用越來(lái)越廣泛，其功能也越來(lái)越完善。飛行控制系統(tǒng)日趨復(fù)雜，不確定因素越來(lái)越多。飛行控制系統(tǒng)作為無(wú)人機(jī)的核心，對(duì)無(wú)人機(jī)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(yīng)的仿真系統(tǒng)對(duì)其進(jìn)行驗(yàn)證。
目前，無(wú)人機(jī)飛行控制仿真主要包括數(shù)字仿真和半實(shí)物仿真。半實(shí)物仿真將系統(tǒng)的一部分引入到仿真回路中，盡可能地模擬場(chǎng)景。驗(yàn)證飛行控制系統(tǒng)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(jìn)方面，比數(shù)字仿真更有效。
在現(xiàn)有工程輔助工具的基礎(chǔ)上，建立了無(wú)人機(jī)飛行控制設(shè)計(jì)與仿真試驗(yàn)平臺(tái)，可應(yīng)用于無(wú)人機(jī)的建模、飛行控制系統(tǒng)的研究開(kāi)發(fā)、工程實(shí)現(xiàn)、半實(shí)物仿真和飛行試驗(yàn)等方面。以標(biāo)準(zhǔn)體系結(jié)構(gòu)為標(biāo)準(zhǔn)，采用計(jì)算機(jī)技術(shù)和工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)總線技術(shù)構(gòu)建高性能實(shí)時(shí)飛行仿真系統(tǒng)，以滿足可靠性、可用性和維修性要求。同時(shí)，作為一種先進(jìn)的飛行控制系統(tǒng)和航空電子設(shè)備的關(guān)鍵技術(shù)的驗(yàn)證平臺(tái)，我們也需要滿足系統(tǒng)模塊的通用性，資源重構(gòu)，可重構(gòu)性和可測(cè)性。半物理仿真系統(tǒng)由飛行仿真計(jì)算機(jī)、地面控制計(jì)算機(jī)、飛行控制計(jì)算機(jī)、慣性導(dǎo)航、三軸模擬器、負(fù)載模擬器和執(zhí)行舵單元組成。
角度測(cè)量裝置實(shí)時(shí)采集試驗(yàn)機(jī)舵運(yùn)動(dòng)信號(hào)如上圖所示的轉(zhuǎn)向齒輪配置地面仿真系統(tǒng)，通過(guò)對(duì)飛行運(yùn)動(dòng)特性試驗(yàn)機(jī)空氣計(jì)算機(jī)計(jì)算模擬，刺激的轉(zhuǎn)盤(pán)，計(jì)算機(jī)模擬信號(hào)通過(guò)串行通信對(duì)轉(zhuǎn)臺(tái)的控制柜，控制飛機(jī)姿態(tài)變化的模擬，因?yàn)閼T性導(dǎo)航裝置安裝在轉(zhuǎn)盤(pán)上，慣性導(dǎo)航裝置的信號(hào)會(huì)對(duì)飛行控制計(jì)算機(jī)，根據(jù)當(dāng)前狀態(tài)的控制律的飛行控制計(jì)算機(jī)，計(jì)算手勢(shì)信號(hào)，通過(guò)變換飛行數(shù)據(jù)傳送到轉(zhuǎn)向器、轉(zhuǎn)向器運(yùn)動(dòng)、轉(zhuǎn)向角測(cè)量裝置通過(guò)平行端口將測(cè)量的角度轉(zhuǎn)換為仿真計(jì)算機(jī)，從而形成閉環(huán)控制。
無(wú)人機(jī)仿真系統(tǒng)是整個(gè)半實(shí)物仿真系統(tǒng)的重要組成部分。它的計(jì)算任務(wù)繁重，與其他子系統(tǒng)密切相關(guān)。輸入/輸出參數(shù)大。
無(wú)人機(jī)數(shù)學(xué)模型是一個(gè)具有六自由度的非線性全運(yùn)動(dòng)方程，具有高階多變量非線性時(shí)變特性。仿真軟件使用四個(gè)元素計(jì)算姿態(tài)角和四階龍格庫(kù)塔法求解動(dòng)力微分方程。飛行仿真系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型非常復(fù)雜，為了使軟件邏輯清晰，界面清晰，模塊化設(shè)計(jì)的需要，以模塊化建模的思想，動(dòng)態(tài)模型分解為氣動(dòng)系數(shù)模塊、發(fā)動(dòng)機(jī)模塊、風(fēng)模塊、初始化模塊、空氣平衡模塊、串口通信模塊、時(shí)鐘模塊、多媒體繪圖模塊、加速度傳感器等。
飛行控制系統(tǒng)是整個(gè)系統(tǒng)的核心，它負(fù)責(zé)著系統(tǒng)數(shù)據(jù)的采集、余度管理和控制律的計(jì)算等重要任務(wù)。
該地面仿真平臺(tái)中飛行控制器選用高性能處理芯片，芯片是一款系列浮點(diǎn)DSP控制器，具有精度高，成本低，功耗小，性能高，外設(shè)集成度高，數(shù)據(jù)以及程序存儲(chǔ)量大，A／D轉(zhuǎn)換更精確快速等優(yōu)點(diǎn)，并具有所開(kāi)發(fā)的功能強(qiáng)大的CCS軟件平臺(tái)。飛控軟件按照軟件T程設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，采用模塊化結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，使用C語(yǔ)言編程。軟件主要由初始化模塊、核心管理模塊、自主導(dǎo)航模塊、遙控遙測(cè)模塊、容錯(cuò)模塊和輸出模塊等組成。初始化模塊完成系統(tǒng)軟、硬件的初始化以及參數(shù)的設(shè)置，完成主板、AD／DA和串口等硬件設(shè)備的初始化以及中斷設(shè)置等；遙控遙測(cè)模塊接收并執(zhí)行地面指令以及發(fā)送遙測(cè)數(shù)據(jù)；起飛和著陸模塊分別控制無(wú)人機(jī)的起飛和著陸；自主導(dǎo)航用來(lái)對(duì)無(wú)人機(jī)進(jìn)行按航路自主導(dǎo)航；定時(shí)與中斷處理模塊完成與時(shí)間有關(guān)的周期性任務(wù)和中斷管理等。無(wú)人機(jī)測(cè)控系統(tǒng)主要用于傳輸?shù)孛娌倏v人員的指令，用于傳送無(wú)人機(jī)的狀態(tài)參數(shù)、位置坐標(biāo)等信息給地面站，實(shí)時(shí)顯示無(wú)人機(jī)的飛行參數(shù)、飛行姿態(tài)、航向和航跡，還可以對(duì)飛行數(shù)據(jù)進(jìn)行保存和回放。
無(wú)人機(jī)地面測(cè)控系統(tǒng)由測(cè)控計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)，測(cè)控計(jì)算機(jī)的主板為研華ADAM-562V，測(cè)控汁算機(jī)是在Windows環(huán)境下運(yùn)行的計(jì)算機(jī)，操縱桿通過(guò)USB接口接入測(cè)控計(jì)算機(jī)，RS232為標(biāo)準(zhǔn)通訊接口，將鍵盤(pán)介入板卡上，輸出接至顯示器，這部分實(shí)現(xiàn)了離散指令的輸入和輸出；將操縱桿接到PC機(jī)上，完成連續(xù)指令的輸入和輸出。對(duì)于實(shí)時(shí)飛行控制的相關(guān)功能來(lái)說(shuō)，最重要的是保證對(duì)無(wú)人機(jī)飛行控制操作的準(zhǔn)確性與實(shí)時(shí)性，這就需要設(shè)計(jì)一種盡可能簡(jiǎn)單直觀、便于地面操作人員操作的人機(jī)交互界面。本測(cè)控軟件采用Windows 2000操作系統(tǒng)，以VC++6．0為開(kāi)發(fā)環(huán)境，利用MFC，使用自頂向下的設(shè)計(jì)方法，將程序從系統(tǒng)架構(gòu)上劃分為3個(gè)層次，6個(gè)子模塊來(lái)進(jìn)行開(kāi)發(fā)。在測(cè)控軟件中，輸入模塊負(fù)責(zé)響應(yīng)和處理地面操縱人員的各種操作，飛行控制模塊根據(jù)地面操縱人員的輸入組織遙控指令幀序列，調(diào)用通訊模塊的接口向機(jī)載系統(tǒng)發(fā)送遙控指令幀，飛行狀態(tài)監(jiān)測(cè)模塊負(fù)責(zé)從數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊讀取并分析遙測(cè)幀數(shù)據(jù)，向圖形顯示模塊提供飛行狀態(tài)以及遙測(cè)數(shù)據(jù)分析結(jié)果。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與維護(hù)模塊既存儲(chǔ)從通訊模塊獲取的遙測(cè)幀數(shù)據(jù)，也記錄測(cè)控計(jì)算機(jī)發(fā)送的遙控指令幀，同時(shí)提供讀寫(xiě)接口以供其他模塊調(diào)用。通信模塊主要負(fù)責(zé)各個(gè)模塊間的數(shù)據(jù)和指令傳輸，顯示模塊用于顯示無(wú)人機(jī)的飛行狀態(tài)、遙測(cè)數(shù)據(jù)及參數(shù)曲線。
仿真軟件主要用來(lái)飛行器動(dòng)力學(xué)解算，即實(shí)現(xiàn)飛行器飛行動(dòng)力學(xué)的實(shí)時(shí)數(shù)字仿真運(yùn)算，按照模塊化設(shè)計(jì)思想，在VC++6．0的環(huán)境下，基于MFC。在該界面中顯示自主飛行時(shí)的航跡、高度、飛行參數(shù)和姿態(tài)變化的曲線，也可以用來(lái)航跡加載，設(shè)計(jì)滿足了要求。
無(wú)人機(jī)的使用越來(lái)越廣泛，其功能也越來(lái)越完善。飛行控制系統(tǒng)日趨復(fù)雜，不確定因素越來(lái)越多。飛行控制系統(tǒng)作為無(wú)人機(jī)的核心，對(duì)無(wú)人機(jī)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(yīng)的仿真系統(tǒng)對(duì)其進(jìn)行驗(yàn)證。
目前，無(wú)人機(jī)飛行控制仿真主要包括數(shù)字仿真和半實(shí)物仿真。半實(shí)物仿真將系統(tǒng)的一部分引入到仿真回路中，盡可能地模擬場(chǎng)景。驗(yàn)證飛行控制系統(tǒng)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(jìn)方面，比數(shù)字仿真更有效。
在現(xiàn)有工程輔助工具的基礎(chǔ)上，建立了無(wú)人機(jī)飛行控制設(shè)計(jì)與仿真試驗(yàn)平臺(tái)，可應(yīng)用于無(wú)人機(jī)的建模、飛行控制系統(tǒng)的研究開(kāi)發(fā)、工程實(shí)現(xiàn)、半實(shí)物仿真和飛行試驗(yàn)等方面。以標(biāo)準(zhǔn)體系結(jié)構(gòu)為標(biāo)準(zhǔn)，采用計(jì)算機(jī)技術(shù)和工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)總線技術(shù)構(gòu)建高性能實(shí)時(shí)飛行仿真系統(tǒng)，以滿足可靠性、可用性和維修性要求。同時(shí)，作為一種先進(jìn)的飛行控制系統(tǒng)和航空電子設(shè)備的關(guān)鍵技術(shù)的驗(yàn)證平臺(tái)，我們也需要滿足系統(tǒng)模塊的通用性，資源重構(gòu)，可重構(gòu)性和可測(cè)性。半物理仿真系統(tǒng)由飛行仿真計(jì)算機(jī)、地面控制計(jì)算機(jī)、飛行控制計(jì)算機(jī)、慣性導(dǎo)航、三軸模擬器、負(fù)載模擬器和執(zhí)行舵單元組成。
角度測(cè)量裝置實(shí)時(shí)采集試驗(yàn)機(jī)舵運(yùn)動(dòng)信號(hào)如上圖所示的轉(zhuǎn)向齒輪配置地面仿真系統(tǒng)，通過(guò)對(duì)飛行運(yùn)動(dòng)特性試驗(yàn)機(jī)空氣計(jì)算機(jī)計(jì)算模擬，刺激的轉(zhuǎn)盤(pán)，計(jì)算機(jī)模擬信號(hào)通過(guò)串行通信對(duì)轉(zhuǎn)臺(tái)的控制柜，控制飛機(jī)姿態(tài)變化的模擬，因?yàn)閼T性導(dǎo)航裝置安裝在轉(zhuǎn)盤(pán)上，慣性導(dǎo)航裝置的信號(hào)會(huì)對(duì)飛行控制計(jì)算機(jī)，根據(jù)當(dāng)前狀態(tài)的控制律的飛行控制計(jì)算機(jī)，計(jì)算手勢(shì)信號(hào)，通過(guò)變換飛行數(shù)據(jù)傳送到轉(zhuǎn)向器、轉(zhuǎn)向器運(yùn)動(dòng)、轉(zhuǎn)向角測(cè)量裝置通過(guò)平行端口將測(cè)量的角度轉(zhuǎn)換為仿真計(jì)算機(jī)，從而形成閉環(huán)控制。
無(wú)人機(jī)仿真系統(tǒng)是整個(gè)半實(shí)物仿真系統(tǒng)的重要組成部分。它的計(jì)算任務(wù)繁重，與其他子系統(tǒng)密切相關(guān)。輸入/輸出參數(shù)大。
無(wú)人機(jī)數(shù)學(xué)模型是一個(gè)具有六自由度的非線性全運(yùn)動(dòng)方程，具有高階多變量非線性時(shí)變特性。仿真軟件使用四個(gè)元素計(jì)算姿態(tài)角和四階龍格庫(kù)塔法求解動(dòng)力微分方程。飛行仿真系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型非常復(fù)雜，為了使軟件邏輯清晰，界面清晰，模塊化設(shè)計(jì)的需要，以模塊化建模的思想，動(dòng)態(tài)模型分解為氣動(dòng)系數(shù)模塊、發(fā)動(dòng)機(jī)模塊、風(fēng)模塊、初始化模塊、空氣平衡模塊、串口通信模塊、時(shí)鐘模塊、多媒體繪圖模塊、加速度傳感器等。
飛行控制系統(tǒng)是整個(gè)系統(tǒng)的核心，它負(fù)責(zé)著系統(tǒng)數(shù)據(jù)的采集、余度管理和控制律的計(jì)算等重要任務(wù)。
該地面仿真平臺(tái)中飛行控制器選用高性能處理芯片，芯片是一款系列浮點(diǎn)DSP控制器，具有精度高，成本低，功耗小，性能高，外設(shè)集成度高，數(shù)據(jù)以及程序存儲(chǔ)量大，A／D轉(zhuǎn)換更精確快速等優(yōu)點(diǎn)，并具有所開(kāi)發(fā)的功能強(qiáng)大的CCS軟件平臺(tái)。飛控軟件按照軟件T程設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，采用模塊化結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，使用C語(yǔ)言編程。軟件主要由初始化模塊、核心管理模塊、自主導(dǎo)航模塊、遙控遙測(cè)模塊、容錯(cuò)模塊和輸出模塊等組成。初始化模塊完成系統(tǒng)軟、硬件的初始化以及參數(shù)的設(shè)置，完成主板、AD／DA和串口等硬件設(shè)備的初始化以及中斷設(shè)置等；遙控遙測(cè)模塊接收并執(zhí)行地面指令以及發(fā)送遙測(cè)數(shù)據(jù)；起飛和著陸模塊分別控制無(wú)人機(jī)的起飛和著陸；自主導(dǎo)航用來(lái)對(duì)無(wú)人機(jī)進(jìn)行按航路自主導(dǎo)航；定時(shí)與中斷處理模塊完成與時(shí)間有關(guān)的周期性任務(wù)和中斷管理等。無(wú)人機(jī)測(cè)控系統(tǒng)主要用于傳輸?shù)孛娌倏v人員的指令，用于傳送無(wú)人機(jī)的狀態(tài)參數(shù)、位置坐標(biāo)等信息給地面站，實(shí)時(shí)顯示無(wú)人機(jī)的飛行參數(shù)、飛行姿態(tài)、航向和航跡，還可以對(duì)飛行數(shù)據(jù)進(jìn)行保存和回放。
無(wú)人機(jī)地面測(cè)控系統(tǒng)由測(cè)控計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)，測(cè)控計(jì)算機(jī)的主板為研華ADAM-562V，測(cè)控汁算機(jī)是在Windows環(huán)境下運(yùn)行的計(jì)算機(jī)，操縱桿通過(guò)USB接口接入測(cè)控計(jì)算機(jī)，RS232為標(biāo)準(zhǔn)通訊接口，將鍵盤(pán)介入板卡上，輸出接至顯示器，這部分實(shí)現(xiàn)了離散指令的輸入和輸出；將操縱桿接到PC機(jī)上，完成連續(xù)指令的輸入和輸出。對(duì)于實(shí)時(shí)飛行控制的相關(guān)功能來(lái)說(shuō)，最重要的是保證對(duì)無(wú)人機(jī)飛行控制操作的準(zhǔn)確性與實(shí)時(shí)性，這就需要設(shè)計(jì)一種盡可能簡(jiǎn)單直觀、便于地面操作人員操作的人機(jī)交互界面。本測(cè)控軟件采用Windows 2000操作系統(tǒng)，以VC++6．0為開(kāi)發(fā)環(huán)境，利用MFC，使用自頂向下的設(shè)計(jì)方法，將程序從系統(tǒng)架構(gòu)上劃分為3個(gè)層次，6個(gè)子模塊來(lái)進(jìn)行開(kāi)發(fā)。在測(cè)控軟件中，輸入模塊負(fù)責(zé)響應(yīng)和處理地面操縱人員的各種操作，飛行控制模塊根據(jù)地面操縱人員的輸入組織遙控指令幀序列，調(diào)用通訊模塊的接口向機(jī)載系統(tǒng)發(fā)送遙控指令幀，飛行狀態(tài)監(jiān)測(cè)模塊負(fù)責(zé)從數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊讀取并分析遙測(cè)幀數(shù)據(jù)，向圖形顯示模塊提供飛行狀態(tài)以及遙測(cè)數(shù)據(jù)分析結(jié)果。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與維護(hù)模塊既存儲(chǔ)從通訊模塊獲取的遙測(cè)幀數(shù)據(jù)，也記錄測(cè)控計(jì)算機(jī)發(fā)送的遙控指令幀，同時(shí)提供讀寫(xiě)接口以供其他模塊調(diào)用。通信模塊主要負(fù)責(zé)各個(gè)模塊間的數(shù)據(jù)和指令傳輸，顯示模塊用于顯示無(wú)人機(jī)的飛行狀態(tài)、遙測(cè)數(shù)據(jù)及參數(shù)曲線。
仿真軟件主要用來(lái)飛行器動(dòng)力學(xué)解算，即實(shí)現(xiàn)飛行器飛行動(dòng)力學(xué)的實(shí)時(shí)數(shù)字仿真運(yùn)算，按照模塊化設(shè)計(jì)思想，在VC++6．0的環(huán)境下，基于MFC。在該界面中顯示自主飛行時(shí)的航跡、高度、飛行參數(shù)和姿態(tài)變化的曲線，也可以用來(lái)航跡加載，設(shè)計(jì)滿足了要求。
關(guān)鍵詞： 無(wú)人機(jī)
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