無人直升機飛控半物理仿真系統設計

文/黃賢開

飛行控制技術在航空航天航海等軍事領域中起著至關重要的作用。為了研究飛行控制的新方法、新概念和新技術,需要提供一個實時仿真環境來對這些新方法、新概念、新技術進行評價和仿真驗證。美國的普林斯頓大學、MIT 等院校建有先進水平的飛行控制實時仿真實驗室，承擔教學工作，也承接軍方的大量研究工作，進行新方法研究與驗證。我國某些院校為了教學和科研的需要，也相繼建設了飛行控制仿真實驗系統。

仿真系統根據所采用的模型劃分，可以將其分為數學仿真和實物仿真兩大類。在數學仿真中，幾乎系統內的所有部件全部采用數學模型；實物仿真分為全實物和半實物仿真，是將系統實物全部或部分地引入仿真回路。實物仿真較之數學仿真能更全面的反映實際工程情況，和實際系統更加貼近，因此實物仿真在現實生活中的應用十分廣泛。由于現實條件的約束，實際應用中一般采用部分模型、部分實物的仿真，稱之為半實物仿真，也叫半物理仿真。在本課題的研究中，設計的就是半物理仿真，將無人直升機模型加載到仿真系統中，而飛控計算機、姿態陀螺、角速率陀螺等采用實物，從而比較全面地對飛行控制律以及飛控參數進行仿真測試。

1 半物理仿真系統的組成

半物理仿真系統可以分為三個部分：主仿真系統、飛控系統以及轉臺，如圖1所示。主仿真系統是本課題的主要工作部分，轉臺系統接收到主仿真系統(實際為無人直升機模型)發送過來的姿態信號，再將實際陀螺采集的姿態信號發送給飛控計算機進行解算。主仿真系統通過總線將各種飛控計算機所需的信號發送至飛控計算機進行循環運算。

2 半物理仿真系統設計

2.1 半物理仿真系統硬件設計

主仿真系統(包括仿真計算機硬件和仿真系統軟件)主要是用來對部分傳感器(如大氣計算機、GPS、無線電高度等)進行仿真和無人直升機模型的嵌入，仿真計算機是需要對這些傳感器進行模擬，因此對于正確性、可靠性、實時性等要求較高。基于Intel x86處理器的嵌入式PC104系統成本不高，功能模塊豐富，且集成度高，操作系統的選擇余地大，支持嵌入式控制領域十分流行的DOS操縱系統。另外其可靠性高，響應速度快，抗干擾性能力強。因而為了對飛控系統進行較為全面的仿真驗證，仿真計算機選擇嵌入式PC104的仿真計算機(插拔式)，其板卡主要包括電源板、CPU板、串口板、DA板以及AD板。主要配置如下：

（1）電源板：提供的+5V和±12V用于總線供電，±15V用于模擬信號變換，27V用于離散輸入/輸出信號變換；

（2）CPU板：兩路標準DB9接口、1路標準顯示器接口、4路標準USB接口（1路用于鍵盤，1路用于鼠標，2路用戶使用），4路標準RJ45網絡接口；

（3）串口板：采用PC104總線SEMMSP-12模塊，共12路串口，其中8路為RS232/RS422/RS485/TTL跳線選擇，2路固定為RS232，2路跳線選擇為RS422/RS485；

（4）DA板：采用PC104總線ADT300模塊，共有16路D/A（±15V）、24路DIO；

（5）AD板：采用PC104總線ADT882-AT模塊，該模塊共有16路A/D（±10V）、24路DIO。

2.2 半物理仿真系統軟件設計

仿真系統軟件設計主要包括仿真系統軟件的實現以及無人直升機模型的嵌入。其開發環境主要包括：

（1）支持ANSI C標準的VC6.0集成開發環境；

（2）嵌入式實時操作系統RTOS，安裝在開發環境所在的宿主機上；

（3）交互式開發環境，應用程序在Windows環境下開發后可以通過超級終端從宿主機加載到目標機進行調試運行。

2.2.1 半物理仿真系統軟件架構

仿真系統軟件是仿真功能的具體實現，在無人直升機仿真系統中處于核心地位。因此在仿真系統的設計和實現過程中，仿真系統軟件的架構設計顯得尤為重要，通常遵循模塊化的設計思想，并按照數據流的方式將硬件設備、接口、仿真等分解為不同的模塊和處理層次，具體的仿真系統軟件架構如圖2所示。

圖1：半物理仿真系統的組成

圖2：仿真軟件架構圖

圖3：仿真軟件任務模塊實現圖

圖4：典型航線

（1）底層：實現硬件的接口驅動。包括CPU板卡驅動、AD/DA板卡驅動、串口板卡驅動以及其它信號接口驅動程序的軟件開發；

（2）中間層：為應用層提供操作系統接口和設備信號接口。包括實時操作系統模塊、模型模塊、公共模塊、信號接口模塊、傳感器接口模塊、執行機構接口模塊以及其它設備模塊等；

（3）應用層：實現無人直升機的各種飛行功能的仿真以及飛控計算機的測試。

本文以無人直升機典型航線飛行及故障模擬為例對仿真系統的可行性以及可靠性進行驗證。

圖5：仿真結果

圖6：典型航線飛行高度變化

圖7：典型航線飛行下航向變化

圖8：典型航線飛行空速變化

2.2.2 半物理仿真系統軟件實現

（1）仿真系統軟件實現。RTOS實時操作系統創建任務的模式如表3所示。

1.配置任務：定義任務所需要的參數以及與其他任務之間的接口；

2.創建任務：創建所需任務，并對相關參數初始化處理；

3.實現任務：任務的主體部分，具體實現任務的作用，比如輸入/輸出、功能轉換、模型迭代以及傳感器模擬等。

（2）無人直升機模型實現。無人直升機模型實現分為兩個部分，其中第一部分為“模型”工程，所有的核心數學運算以及函數編譯都在此工程中完成；第二部分為生成靜態庫依附于主工程，仿真任務在此工程中實現。

其中第一部分是通過大眾所熟知的龍格庫塔四迭代法創建無人直升機的狀態空間數值模型，生成一個LIB靜態庫文件，這個文件中包括模型的所有必要功能和參數，這樣，在仿真軟件實現的過程中，只要調用此文件即可，從而完成無人直升機模型的嵌入。

2.3 仿真實驗結果

此半物理仿真系統已對飛控功能進行多次仿真驗證，在此僅以典型的航線飛行為示例進行說明，此仿真驗證包括的功能有：自動起降、爬升/下滑、協調轉彎、平飛以及返航。如圖4所示為仿真驗證的典型航線，仿真結果如圖5所示。

從圖6、7、8可以看出，飛機進行航線飛行的過程中，飛機的真實航向與航線設定的航向基本一致，設計的半物理仿真系統能夠滿足控制律設計的要求。

3 結論

此半物理仿真系統已在某型無人直升機飛控系統研制的過程中投入使用，具有實際的應用意義，仿真結果經過分析滿足飛行品質技術指標要求，半物理仿真結果可真實可靠的反映無人直升機的飛行過程，可以通過此半物理仿真實驗系統對無人直升機飛行控制律進行全面測試及驗證。