FlightGear在無人機實時飛行仿真中的應用

摘 要:無人機實時飛行仿真是無人機研制中不可缺少的一個過程，但是對于小型無人機來講，開發一個完整的實時飛行仿真系統往往花費巨大。詳細論述基于xPC Target的實時仿真系統設計，在此基礎上，利用FlightGear飛行模擬器實現了無人機的三維實時可視化顯示。該仿真系統開發簡單，構造靈活，成本低，能夠使開發人員將更多的精力花費在飛行控制算法研究上。

關鍵詞:飛行仿真; 無人機; FlightGear; xPC Target

中圖分類號:TP274 文獻標識碼:A

文章編號:1004-373X(2010)13-0024-03

FlightGear Applied to Flight Real-time Simulation of UAV

ZHAI Bin， XUE Ming-xu

(The 27th Research Institute， China Electronics Technology Group Corporation， Zhengzhou 450007， China)

Abstract: The real-time simulation is an important process in development of an unmanned aerial vehicle(UAV). However， a custom-built simulation system commonly associated with small UAVs are cost prohibitive. The design of a real-time simulation system based on xPC Target is described. The 3D visualization real-time display of UAVs was achieved with the FlgihtGear flight simulator. This simulation system is feasible， valid and economic. It can reduce development time and costs， saving more time for the designers to focus on the algorithm of flight control.

Keywords: flight simulation; UAV; FlightGear; xPC Target

隨著無人機被越來越多的應用在軍事和民用領域里，參與無人機研制的個人和團隊也在迅猛增加。而在無人機的研制過程中，飛行仿真是必不可少的一個環節，通過飛行仿真可以對無人機的操縱性、穩定性和自動駕駛儀性能進行有效的驗證，也可以對操作手進行輔助訓練，降低飛行風險[1-2]。本文提出了一種簡單有效的無人機實時仿真系統，首先利用Simulink構建仿真模型，然后通過xPC實時運行仿真模型并與自動駕駛儀構成硬件在回路的實時仿真環境，最后通過開源飛行模擬器軟件FlightGear進行場景顯示。

1 無人機飛行仿真框架

無人機飛行仿真系統主要由無人機運動模擬、自動駕駛儀、視景仿真顯示等部分組成，系統總體結構如圖1所示。

在該結構中，無人機運動模擬通過兩部分實現:一是利用Simulink搭建的無人機六自由度仿真模型;二是利用xPC目標機來實現的實時仿真模型。無人機運動模擬節點通過接收自動駕駛儀的控制指令，真實地模擬無人機當前的運動狀態，并通過串口將無人機的狀態反饋到自動駕駛儀，從而實現完整的控制回路。

圖1 無人機飛行仿真系統結構

自動駕駛儀采用真實地無人機控制器來實現，通過與無人機運動模擬節點的交互真實地反映出無人機的控制狀態。

視景顯示部分則通過流行的飛行模擬軟件FlightGear來實現，由于采用了UDP網絡協議，能夠滿足大規模數據傳送的實時性。

2 實時仿真環境

飛行仿真系統中由于加入了自動駕駛儀，屬于硬件在回路仿真系統，因此要求整個系統必須具備很高的實時性才能保證系統各個節點的一致性，從而保證仿真系統的真實性。本文采用xPC目標機來實現無人機運動模擬的實時性。

2.1 上位機-目標機通信

xPC Target是MathWorks公司提供和發行的一個基于Real Time Workshop(RTW)體系框架的附加產品，是一種用于產品原型開發、數據采集、測試和配置實時系統的PC機解決途徑[3]。xPC Target采用了上位機-目標機的技術途徑，上位機主要運行Simulink及其他模型，并且需要安裝編譯器。目標機則實時運行宿主機編譯生成的代碼。xPC Target提供了一個高度精簡的實時內核運行在目標機上，實時內核采用32位保護模式[4]。上位機和目標機通過網絡或串口連接進行通信，其工作模式如圖2所示。

圖2 xPC Target 工作模式

在主機上運行Matlab，Simulink，RTW和C編譯器作為開發環境，可以生成實時應用程序運行在一臺xPC Target實時內核的目標機上。xPC Target實時內核保證了運行在PC硬件上實時程序的穩定性。可以通過Matlab、命令行或者用戶主機的圖形界面(GUI)、標準的網絡瀏覽器或者目標機命令行來控制目標機上程序的執行。在程序運行期間，可以交互地改變模型參數并且迅速地獲取、觀察信號或者把它們保存起來做后續處理。通過目標GUI能直接觀察目標機上的信號和狀態信息。在目標機上運行xPC Target對已經安裝在目標機上的任何軟件不會產生影響，一旦重新啟動了目標機，就可以恢復成為一臺運行Windows，Linux或者其他計算機操作系統和應用軟件的計算機。

2.2 xPC目標機制作

xPC目標機的制作非常簡單，本文以Matlab 7.3為例介紹制作過程。在Matlab命令窗口輸入xpcexplr，出現xPC Target Explorer界面。xPC目標機與主機的通訊有兩種模式:RS 232串行口和TCP/IP網絡接口，圖3為TCP/IP網絡接口的設置界面。

下面對各參數項進行說明:

Host target communication:選擇TCP/IP或者RS 232模式;

Target PC IP address:設置目標機的IP地址;

TCP/IP target port:設置目標機通訊端口;

LAN subnet mask address:設置目標機子網掩碼;

TCP/IP gateway address:設置網關地址;

TCP/IP target drive:對支持的網卡進行設置，xPC僅僅對部分網卡支持，NE2000，SMC91C9X，I82559，RTLANCE;

TCP/IP target bus:設置網卡總線類型，PCI和ISA。如果選擇ISA選項則還要設置板卡地址(ISA memory)和中斷號(ISA IRQ number);

如果采用RS 232通訊模式，則僅需要設置串口端號(Host port)和波特率(Baud rate)。

圖3 xPC目標機配置界面

xPC目標機的配置主要有兩部分:一是目標機實時內核啟動時的配置;另一部分是上位機的代碼編譯下載配置選項。 當以上設置完成后可以制作xPC目標機的啟動盤，選擇TargetPC下的Configuration項，進行xPC目標機啟動盤的制作[5]。

xPC目標機的啟動模式有三種:軟盤啟動(BootFloppy)、加載DoS啟動(DoSLoader)、單機模式(StandAlone)。

無論選擇哪一種啟動模式，都需要生成一張啟動軟盤，但是目前軟驅已逐漸淘汰，即使主機配備了軟驅，軟盤讀/寫時的損壞率也極高。為了避免這種情況，這里建議采用DOSLoader模式，當生成啟動軟盤后，打開軟盤應當有以下幾個文件:

autoexec.bat;

checksum.dat;

xpcboot.com;

xpctgo1.rtb。

如果選擇生成啟動盤的模式不同，則生成的文件名稱會不一樣。autoexec.bat是DoS啟動后加載的自動執行文件，打開該文件會發現里面有如下的內容:

xpcboot xpctgo1.rtb

由此可以看出DoS系統啟動后，需要調用該命令進入xPC系統，xpcboot.com是啟動xPC必需的可知性文件，xpcgo1.rtb是xpc配置文件，checksum.dat是校驗文件。將啟動軟盤的內容復制到xPC目標機，并且通過設置autoexec.bat文件使DoS啟動后直接調用xPC實時內核，這樣在每次啟動目標機時就不必插入啟動盤，可以免去了軟盤易損壞的麻煩。

2.3 目標機和設備的通信

xPC Target工具箱提供了多種類型的硬件板卡驅動，接口豐富包括A/D，D/A，數字輸入，數字輸出，RS 232，CAN等。盡管如此，在實際應用中會采用一些不被xPC目標庫支持的板卡，這是就需要自己編寫相應的驅動程序。在編寫驅動程序時，可以參考Matlab幫助中給出的模板，需要注意的是，對于板卡的地址和寄存器的讀寫必須嚴格遵循板卡說明手冊，在編寫完驅動程序后在Matlab命令窗口調用mex命令將其編譯成動態鏈接庫供Simulink使用。

3 FlightGear應用接口

在飛行仿真系統中，實時虛擬場景顯示是其中重要的一環，通過虛擬場景可以很好地提高系統人機交互性能。虛擬場景交互軟件有很多種途徑可以實現[6]，本文采用了開源軟件FlightGear來實現無人機虛擬場景的顯示，其主要優點是:

代碼開放，可以根據需要進行靈活的二次開發;

場景逼真，包含了大量的飛機模型和地形文件;

接口簡單，僅通過UDP協議就可以實現交互。

3.1 FlightGear配置

盡管FlightGear自身包含了許多動力學模型[7]，但是本文僅利用了其視景顯示的功能，因此僅僅需要將FlightGear的默認設置進行如下更改:

FDM設為external，表示動力模型來自外部輸入;

輸入輸出按圖4設置，其中Protocol設置為native-fdm;Medium設置為socket;Direction設置為in;端口選擇5500;選擇UDP模式。

圖4 FlightGear通信協議設置

在按上面的設置運行FlightGear后就可以接收來自網絡的無人機運動狀態信息，從而驅動視景進行實時變換。

3.2 FlightGear接口描述

為了通過外部命令驅動FlightGear運行，需要按照FlgihtGear定義的網絡通訊協議編寫接口驅動，以FlightGear 0.98為例，需要28個變量的信息[8]，如表1所示。

按照這28個變量進行編程，并通過UDP協議發送到FlightGear節點，即可實現和FlightGear的交互[9-10]，其運行場景圖如圖5所示。

4 結 語

構建了一種簡單方便的無人機實時仿真系統，并通

過開發接口驅動與FlightGear視景軟件進行交互。此系統的優點是開發簡單、構造靈活，可以使開發人員將主要精力放在飛行控制系統的開發上，避免了編寫大量輔助代碼的工作，大大節約了系統開發時間。

參考文獻

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[5]謝晗.基于xPC目標的實時仿真技術及實現[J].微計算機信息，2006，22(12):200-202.

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[7]DETERS R W， DIMOCK G A， SELIG M S. Icing encounter flight simulator with an integrated smart icing system[J]. AIAA Modeling and Simulation Technologies Confe-rence， 2002(8): 2002-4599.

[8]FlightGear Inc.. FlightGear homepage[EB/OL]. [ 2010-03-11] . http://www.flightgear.Org，2010.

[9]PRICE E R， EGAN G K. Real-time UAV visualization using a flight simulator[J]. AIAC， 2007，12 (3): 16-22.

[10]黃華，徐幼平，鄧志武.基于Flightgear模擬器的實時可視化飛行仿真系統[J].系統仿真學報，2007，19(19):4421-4423.