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地面仿真平台在无人机领域的应用
发布时间:2017-12-12 10:14
        针对无人机控制律参数调整和后期控制策略优化的要求,基于无人机的应用背景,提出了无人机飞行控系统地面仿真平台的设计方案。首先对平台的总体设计进行了分析,然后介绍了主要子系统的设计。最后给出了界面显示和半物理仿真结果。半实物仿真结果表明,该平台设计合理,具有一定的工程应用价值。

       无人机的使用越来越广泛,其功能也越来越完善。飞行控制系统日趋复杂,不确定因素越来越多。飞行控制系统作为无人机的核心,对无人机的安全飞行和有效完成起着决定性的作用。为了保证控制软件的可靠性,需要建立相应的仿真系统对其进行验证。
目前,无人机飞行控制仿真主要包括数字仿真和半实物仿真。半实物仿真将系统的一部分引入到仿真回路中,尽可能地模拟场景。验证飞行控制系统的可靠性,特别是在飞行控制初始阶段和后期控制策略的改进方面,比数字仿真更有效。
在现有工程辅助工具的基础上,建立了无人机飞行控制设计与仿真试验平台,可应用于无人机的建模、飞行控制系统的研究开发、工程实现、半实物仿真和飞行试验等方面。以标准体系结构为标准,采用计算机技术和工业标准总线技术构建高性能实时飞行仿真系统,以满足可靠性、可用性和维修性要求。同时,作为一种先进的飞行控制系统和航空电子设备的关键技术的验证平台,我们也需要满足系统模块的通用性,资源重构,可重构性和可测性。半物理仿真系统由飞行仿真计算机、地面控制计算机、飞行控制计算机、惯性导航、三轴模拟器、负载模拟器和执行舵单元组成。
角度测量装置实时采集试验机舵运动信号如上图所示的转向齿轮配置地面仿真系统,通过对飞行运动特性试验机空气计算机计算模拟,刺激的转盘,计算机模拟信号通过串行通信对转台的控制柜,控制飞机姿态变化的模拟,因为惯性导航装置安装在转盘上,惯性导航装置的信号会对飞行控制计算机,根据当前状态的控制律的飞行控制计算机,计算手势信号,通过变换飞行数据传送到转向器、转向器运动、转向角测量装置通过平行端口将测量的角度转换为仿真计算机,从而形成闭环控制。

       无人机仿真系统是整个半实物仿真系统的重要组成部分。它的计算任务繁重,与其他子系统密切相关。输入/输出参数大。
无人机数学模型是一个具有六自由度的非线性全运动方程,具有高阶多变量非线性时变特性。仿真软件使用四个元素计算姿态角和四阶龙格库塔法求解动力微分方程。飞行仿真系统的数学模型非常复杂,为了使软件逻辑清晰,界面清晰,模块化设计的需要,以模块化建模的思想,动态模型分解为气动系数模块、发动机模块、风模块、初始化模块、空气平衡模块、串口通信模块、时钟模块、多媒体绘图模块、加速度传感器等。
飞行控制系统是整个系统的核心,它负责着系统数据的采集、余度管理和控制律的计算等重要任务。
该地面仿真平台中飞行控制器选用高性能处理芯片,芯片是一款系列浮点DSP控制器,具有精度高,成本低,功耗小,性能高,外设集成度高,数据以及程序存储量大,A/D转换更精确快速等优点,并具有所开发的功能强大的CCS软件平台。飞控软件按照软件T程设计准则,采用模块化结构进行设计,使用C语言编程。软件主要由初始化模块、核心管理模块、自主导航模块、遥控遥测模块、容错模块和输出模块等组成。初始化模块完成系统软、硬件的初始化以及参数的设置,完成主板、AD/DA和串口等硬件设备的初始化以及中断设置等;遥控遥测模块接收并执行地面指令以及发送遥测数据;起飞和着陆模块分别控制无人机的起飞和着陆;自主导航用来对无人机进行按航路自主导航;定时与中断处理模块完成与时间有关的周期性任务和中断管理等。无人机测控系统主要用于传输地面操纵人员的指令,用于传送无人机的状态参数、位置坐标等信息给地面站,实时显示无人机的飞行参数、飞行姿态、航向和航迹,还可以对飞行数据进行保存和回放。

        无人机地面测控系统由测控计算机实现,测控计算机的主板为研华ADAM-562V,测控汁算机是在Windows环境下运行的计算机,操纵杆通过USB接口接入测控计算机,RS232为标准通讯接口,将键盘介入板卡上,输出接至显示器,这部分实现了离散指令的输入和输出;将操纵杆接到PC机上,完成连续指令的输入和输出。对于实时飞行控制的相关功能来说,最重要的是保证对无人机飞行控制操作的准确性与实时性,这就需要设计一种尽可能简单直观、便于地面操作人员操作的人机交互界面。本测控软件采用Windows 2000操作系统,以VC++6.0为开发环境,利用MFC,使用自顶向下的设计方法,将程序从系统架构上划分为3个层次,6个子模块来进行开发。在测控软件中,输入模块负责响应和处理地面操纵人员的各种操作,飞行控制模块根据地面操纵人员的输入组织遥控指令帧序列,调用通讯模块的接口向机载系统发送遥控指令帧,飞行状态监测模块负责从数据存储模块读取并分析遥测帧数据,向图形显示模块提供飞行状态以及遥测数据分析结果。数据存储与维护模块既存储从通讯模块获取的遥测帧数据,也记录测控计算机发送的遥控指令帧,同时提供读写接口以供其他模块调用。通信模块主要负责各个模块间的数据和指令传输,显示模块用于显示无人机的飞行状态、遥测数据及参数曲线。

      仿真软件主要用来飞行器动力学解算,即实现飞行器飞行动力学的实时数字仿真运算,按照模块化设计思想,在VC++6.0的环境下,基于MFC。在该界面中显示自主飞行时的航迹、高度、飞行参数和姿态变化的曲线,也可以用来航迹加载,设计满足了要求。


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