半實物飛行仿真教學平臺的設計和開發

楊姍姍，王彪

(南京航空航天大學 自動化學院，江蘇 南京 210016)

0 引言

飛行控制系統是航空航天院校自動控制專業一門重要的專業課程，因其術語繁多、描述生澀，學生難以快速接受。因此，需要研制出一款與飛行控制及相關課程緊密結合的實驗平臺來為培養飛行控制專業基礎扎實的創新型人才提供很好的支撐[1-3]。

本項目小組前期研制出一套基于FlightGear的三維可視化飛行控制仿真實驗平臺，基于Matlab/Simulink編寫飛機模型仿真和飛行控制設計實驗界面，并與FlightGear直接對接，可實時三維立體顯示飛機姿態。該平臺提高了學生對飛行控制原理的三維立體直觀的認識，加強了飛行控制設計理論的理解，鍛煉了自主設計飛行控制器的能力[4]。但是由于該平臺無實物、純仿真的特點，缺乏被控對象的真實性，展示效果不夠直觀。

針對此問題，本文設計了一套半實物飛行控制仿真平臺，將航模飛機、舵機、飛控板和操縱桿等實物集成在一起，使得學生不僅可以直觀地觀察到航模飛機上真實舵面轉動的過程，還可以分別體驗自動駕駛和人工駕駛的過程，且本實驗平臺保留了與FlightGear視景軟件的連接，因此本平臺還具備實時三維立體觀測飛行姿態的特點。該實驗教學平臺既可以給教師作演示操作，也可以分難度開設飛行控制律設計實驗，為提高學生綜合飛行控制設計能力提供實驗平臺。該實驗平臺還可為自動控制、探測與制導及機械自動化等專業的本科生培養提供實驗條件[5-7]。

本文將從平臺整體軟硬件結構、用戶端軟件、飛行控制軟件和FlightGear連接設計幾個方面介紹上述半實物飛行控制實驗平臺，并以高度控制的實驗仿真為例，驗證該平臺的實用性。

1 半實物仿真實驗平臺的總體結構

半實物飛行控制仿真實驗平臺的總體設計結構如圖1所示。整個半實物仿真平臺實物部分包括航模飛機、舵機、飛控板和操縱桿。計算機上運行實驗平臺的系統用戶端程序軟件和FlightGear視景軟件。飛行控制程序在飛控板上運行。

圖1 半實物飛行控制實驗平臺結構圖

本仿真實驗平臺選取一款典型固定翼飛機為控制對象，使用C語言編寫系統用戶端程序和飛行控制程序。仿真控制臺軟件通過串口接收飛控板解算出來的執行機構指令和發送軟件中飛機模型解算出來的傳感器信息給飛控板，飛控板將執行機構指令，即舵面指令，通過PWM信號發送給航模飛機上的舵機，從而實現舵面的實時偏轉。同時，仿真控制臺軟件通過FlightGear視景軟件，實時顯示三維視景。系統用戶程序中的遙控遙測軟件通過串口接收飛控板上傳來的飛控數據進行數據展示，并發送控制指令和控制律參數給飛控板，從而對飛控板上的控制律進行調整。操縱桿指令由操縱桿產生，通過仿真控制臺軟件接收操縱桿指令，再轉發給飛控板，實現操縱桿對飛行器模型的人工控制。

2 半實物仿真實驗平臺設計

2.1 動力學模型

飛機模型為一個典型的六自由度固定翼飛機模型，其模型基于12階運動方程建立[7-8]。飛機模型的氣動參數、飛機模型的輸入和輸出參數均與本項目之前設計的Matlab仿真平臺中的飛機模型參數相同[4]。本實驗平臺中的飛機模型是在VC環境下用C語言實現，寫在仿真控制臺軟件中，以便于進行飛行模型解算和數據交互[9-10]。

2.2 系統用戶端程序設計

1) 仿真控制臺軟件

仿真控制臺的軟件架構如圖2所示。

圖2 仿真控制臺軟件架構

仿真控制臺軟件主要實現的功能為：飛機模型解算，通過串口發送傳感器數據給飛控板，接收飛控板控制律解算出來的執行機構指令，通過UDP協議將飛機狀態數據發送給三維實時視景軟件FlightGear，實現用戶端界面的顯示和設置參數，接收操縱桿輸入數據，對飛機實現人工控制操作。

圖3所示為仿真控制臺用戶端界面。界面的設計主要可以分為4個部分，分別是串口選擇模塊、仿真初值設置模塊、數據顯示模塊和仿真控制模塊。串口選擇模塊用于設置正確的串口，以便與飛控板進行數據交互。初值設置模塊用于設置飛機起飛時候的狀態，初值保存在配置文件中，當仿真控制臺軟件打開時自動讀取該配置文件中的初值。數據實現模塊用于實時顯示當前的飛機狀態參數和飛控板返回的執行機構參數。仿真控制模塊用于控制仿真的運行過程，包含運行、暫停和復位3種模式。

點擊界面中的“記錄”按鈕，仿真數據就被記錄在文件中，然后通過Matlab軟件打開該文件進行畫圖分析即可得到仿真曲線。

圖3 仿真控制臺軟件界面

2) 遙控遙測軟件

遙控遙測軟件架構框圖如圖4所示。

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圖4 遙控遙測軟件架構

遙控遙測軟件實現的功能主要為：通過串口接收飛控板發送的飛控信息，實現用戶端界面顯示并設置控制指令和控制律參數，發送控制指令和控制律參數給飛控板，在界面上顯示飛機狀態數據和執行機構指令。

圖5為遙控遙測界面，可以分為4個部分實現，分別是串口選擇模塊、數據顯示模塊、指令設置模塊和參數設置模塊。其中指令設置模塊用于設置控制指令，本軟件可以設置高度、航向和速度指令。參數設置模塊用于設置控制律參數，用于調整飛控板中的控制律。串口選擇模塊和數據顯示模塊的功能與仿真控制臺軟件中的相同。

圖5 遙控遙測軟件界面

2.3 飛行控制器軟件設計

半實物仿真實驗平臺中的飛行控制器基于STM32開發板開發，飛控軟件基于VC環境用C語言實現[11-13]。飛行控制器軟件主要用于實現接收仿真控制臺界面發送的傳感器數據和遙控遙測界面發送的控制指令，進行控制律解算，將解算出來的執行機構數據發回給仿真控制臺軟件和遙控遙測軟件。同時，飛控軟件將飛機模型舵面操作指令輸出給飛機模型中的舵機，從而實現舵面實時偏轉。

飛控軟件中已經基于參考文獻[7-8]設計出了一款經典飛行控制律，以便于初學者參考及教師課堂演示。針對更高難度的實驗，控制律可以通過遙控遙測界面中的參數設置進行修改并發送給飛控板。

圖6所示為飛控系統的軟件架構。半物理仿真系統基于STM32開發板進行開發，所以底層需要有STM32板卡驅動。在板卡驅動的基礎上移植μcos-II實時操作系統到STM32開發板，然后分別設計傳感器任務、執行機構任務、飛控數據發送任務、指令參數接收任務、舵機指令發送任務和控制律解算任務，由實時操作系統的任務調度統一管理，實現完整的飛行控制系統任務。

圖6 飛控系統的軟件架構

2.4 FlightGear的連接

本平臺中采用了開源軟件FlightGear來實現虛擬場景的三維顯示。該軟件代碼開放，場景逼真，且接口簡單，僅通過UDP協議即可發送數據給FlightGear軟件[4]。

FlightGear軟件I/O接口設置如圖7所示，其中Protocol設置為native-fdm； Medium設置為socket； Hz設置為100；Direction設置為in；端口選擇5500，數據傳輸選擇UDP模式。

圖7 FlightGear軟件接口設置

3 仿真實驗

文中以控制飛機高度為例詳細演示本實驗平臺的實驗過程并展示了本半實物平臺的易用性。半實物仿真平臺實物如圖8所示。

圖8 半物理飛控實驗平臺

實驗步驟如下：

1) 打開FlightGear視景軟件，設置視景軟件將仿真地點設為祿口國際機場(LUKOU)的早晨，起飛點為機場跑道，可以使用戶更加直觀地進行觀測。FlightGear視景軟件中飛機起飛效果圖如圖9所示。

2) 打開仿真控制臺軟件，設置串口，點擊界面中的初值設置按鈕，設置飛機模型的仿真初值。

3) 點擊仿真控制臺軟件界面中的操縱桿按鈕，打開操縱桿界面，設置操縱桿指令初值，成功連接操縱桿。

4) 打開遙控遙測軟件，設置串口。在界面中設置控制律參數和高度、航向、速度指令，其中高度指令1000m，航向57.9°，速度200m/s。設置好后點擊發送按鈕，發送給飛控板。

5) 點擊仿真控制臺界面左下角的運行按鈕開始仿真。

6) 點擊仿真控制臺中的記錄按鈕，仿真過程中的數據將被記錄在文件中，然后通過Matlab軟件打開該文件進行畫圖分析仿真結果。

仿真開始后，操作者可以通過修改遙控遙測界面的指令參數調整飛機姿態，也可以通過操縱桿人工控制飛機姿態。飛機姿態通過飛控板直接發送數據給航模舵機控制舵面實時偏轉，并通過UDP協議將數據發送給FlightGear視景軟件實現三維實時顯示。飛機高度響應曲線如圖10所示。

圖9 FlightGear視景效果圖

圖10 高度響應曲線

4 結語

為滿足飛行控制實驗仿真平臺被控對象的真實性，設計了本文中介紹的半實物仿真平臺。該平臺將航模飛機、舵機、飛控板和操縱桿作為實物加入到飛控實驗平臺中，使得被控對象更加直觀。學生可以直接看到自己所設計的飛行控制律被下載到飛控板，然后飛控板通過發送控制信號給舵機，從而控制飛機舵面實時轉動，并由FlightGear視景軟件實時三維立體顯示飛機姿態。整個過程更加直觀生動。該平臺還可以通過操縱桿實現人工駕駛功能，直接對飛機姿態進行控制。平臺的軟件界面簡潔友好，操作方便靈活，便于學生盡快上手設計，具有很強的實用性。