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无人机飞控系统半实物仿真平台设计方案解析

2018年06月06日 12:28 次阅读

0 引言

无人机作为模拟飞机类来袭目标,可为防空武器系统的火控雷达校飞、射击等任务提供空中靶标,是武器系统研制、鉴定过程中必不可少的装备。作为无人机的核心组成部分之一,飞控系统通过控制无人机的姿态,从而完成无人机各种模态下的飞行任务。某无人机飞控系统现有的测试方法包括分立部件测试和部件装机后的整机综合测试。两种方法均属于常规的静态测试,组织实施复杂、测试效率较低、任务准备周期长,而且对于无人机实际飞行过程的动态性能无法验证,对测试中出现的故障难以定位,对于飞行中的环境干扰因素(主要是风干扰)和传感器失效后无人机的飞行情况也无法模拟,从而无法有针对性的进行飞行控制策略修正。综上问题,研制一套无人机飞控系统半物理仿真平台的任务显得尤为迫切。

1 平台总体功能及设计方案

1.1 平台总体功能

该平台以现有某型无人机飞控系统为测试对象,主要完成以下功能:

(1)与无人机飞控计算机和电动舵机、油门电机等实物结合,完成飞控系统的仿真测试;

(2)具备风干扰、力矩干扰条件下的飞行性能模拟,并以二维曲线方式实时显示无人机的飞行航迹、舵偏角、舵偏角速率等变化情况;

(3)能够进行无人机飞控系统部分传感器的故障设置,进行故障情况下的飞行模态仿真。

1.2 平台总体设计方案

半物理仿真平台由硬件设备和应用软件两部分组成。硬件设备包括新建的飞行系统模拟分系统、传感器与机载测控模拟分系统、遥控/遥测模拟分系统、指挥显示分系统、无人机外形显示分系统,以及现有的飞控计算机、飞控计算机接口箱、电动舵机、油门电机等实物。应用软件包括新建各分系统的应用程序。半物理仿真平台的原理组成框图如图1所示。

无人机飞控系统半实物仿真平台设计方案解析

半物理仿真平台的工作原理概况如下:传感器与机载测控模拟分系统通过接口箱与飞控计算机交换无人机的舵偏角、角速率、油门开度、遥控指令、外部干扰等信息,并向飞行系统模拟分系统传输采样转换后的飞控计算机执行结果,向遥控/遥测模拟分系统传输遥测信息(包括传感器与机载测控模拟设备的仿真数据、故障状态、遥控指令回令等)。飞控计算机将接收到信息进行解算处理后,控制电动舵机、油门电机执行相应动作,并将执行结果返回至传感器与机载测控模拟分系统。飞行系统模拟分系统将解算后的飞机状态参数送到无人机外形显示分系统,解算后以三维动画的形式显示无人机的姿态、油门开度、高度变化等信息。指挥显示分系统将收到的无人机位置、高度、速度信息在数字地图上显示,适时发出指挥口令,由操作手干扰无人机的飞行。无人机的三维外形、测控数据、指挥显示界面通过KVM切换器分时在投影幕上显示。

2 平台硬件设计方案

2.1 平台硬件选型原则

(1)应用软件运行平台选择原则

由于该平台属于固定式测试设备,因此在各分系统应用软件运行平台的硬件应尽量采用机架式工控机或台式计算机,主板插槽的数量和类型应相对充裕,以便于现有硬件板卡的安装和平台的后续功能拓展。

(2)数据采集卡的选型原则:一是保证通道数;二是保证采样频率;三是保证数据分辨率。

2.2 平台硬件选择方案

(1)传感器与机载测控模拟分系统

该分系统包括了大量的信号采集、交换及处理任务,硬件采用工控机架构。配置数据采集卡、多串口卡以及自研的信号调理卡,完成数据采集与信息交换。

具体硬件型号和基本参数为:

工控机选用西门子547B:64位CPU处理器,4个PCI插槽,1个PCI-Ex16图形扩展接口。

多串口卡选用MOXA CP 118U:4路RS 232/422/485 PCI串口,串口通信速率为921.6 Kb/s;板载1 5 kVESD突波保护。

D/A卡选用NI PCI-6733:8路D/A,数据更新速率1 MS/s(16b),8路数宁I/O。

A/D卡选用NI PCIe-6259:4路D/A,数据更新速率为1 Ms/s(16 b),32路A/D通道数;A/D采样速率为2.8 MS/s(16 b),48路数字I/O。

DIO卡选用NI PCIe-6503:24路数字I/O。

(2)飞行系统模拟分系统、遥控/遥测模拟分系统

这两个分系统主要是进行无人机和测控数据的传输和解算,其硬件组成比较简单,选用带有多种类型主板插槽的普通商用台式计算机即可,配置MOXA CP118U多串口卡。

(3)指挥显示分系统、无人机外形显示分系统

这两个分系统主要是进行指挥、显示应用软件的运行,选用带有多种类型主板插槽的普通商用台式计算机即可。

2.3 自制信号调理卡设计

传感器与机载测控模拟分系统与遥控/遥测模拟分系统、飞行系统模拟分系统、飞控计算机接口箱等部分进行数据交换时,通过D/A,A/D,DIO板卡完成信号转换时,会受到机箱内复杂电磁环境的影响,导致输出信号带有很强的噪声,需要对其进行滤波处理。另外,由于飞控计算机接口箱输入输出电压均为+27 V,而D/A,A/D,DIO板卡工作电压均为+5 V,因此还需要设计信号调理卡完成信号滤波和工作电压的转换。信号调理卡与外部部件连接示意图如图2所示。

无人机飞控系统半实物仿真平台设计方案解析

3 平台应用软件设计方案

平台应用软件包括飞行系统模拟分系统、无人机外形显示分系统、传感器与机载测控模拟分系统、遥控/遥测模拟分系统、指挥显示分系统等五个应用软件。

3.1 飞行系统模拟分系统

主要是通过解算无人机动力学模型,得到无人机的姿态、发动机等信息,实现无人机飞行仿真。仿真过程同时考虑风干扰、力矩干扰的装订。

(1)应用软件开发环境的选择

由于需要进行无人机动力学模型的解算,考虑到VC++6.0拥有众多的函数计算类库,其数据计算能力比较突出,因此选用VC++6.0作为应用软件开发环境。

(2)无人机动力学模型建立

无人机动力学模型的建立是飞行系统模拟的基础,根据参考文献,建立无人机动力学模型。

(3)风干扰和力矩干扰的加载

风干扰模拟主要是将风速、风向分解投影到各机体轴上,再结合空气动力学方程组里的三向速度方程,解算出三向速度,代入动力学模型中解算后得到加入风干扰后的飞机姿态参数。力矩干扰的加载方法采取直接设置动力学模型中相应参数的方式。设置内容包干扰力矩、正向和反向脉冲干扰、起始时间、终止时间以及常值力矩的大小等。

(4)应用软件的实现

应用软件完成后,为防止在其他分系统软件编程过程中产生的误修改,无人机模型采用动态链接库的方式向提供(UAVSimu.DLL),通过干扰设置界面完成外加力矩的设置,如图3,图4所示。

无人机飞控系统半实物仿真平台设计方案解析

3.2 传感器与机载测控模拟分系统

可以模拟GPS接收机、磁航向、大气数据计算机等传感器特性,通过数字或模拟信号的形式输出到各相关分系统,供实际平台仿真使用。可设置的故障类型包括:

GPS接收机失效、航向跳变、大数据计算机高度跳变。

(1)应用软件开发环境的选择

由于该应用软件在设计过程时需要进行大量的软件界面开发,而Borland公司的C++Builder集成开发环境的最大优点在于其软件界面开发过程中的直接拖入方式,极大地方便了工程开发。因此选用C++Builder进行应用软件开发。

(2)软件总体设计构建

建立一个“ProjectSensorSim”的工程文件,包括如图5所示的工程文件,运行该工程文件后,生成分系统软件界面,如图6所示。

无人机飞控系统半实物仿真平台设计方案解析

3.3 遥控/遥测模拟分系统

该分系统用于模拟地面测控站基本功能,用于完成遥控指令的发送、遥测数据的接收。软件采用模块化设计,包括二维曲线绘制、航路装订、保存与删除、航迹绘制、串口处理、遥测数据接收、遥测信息处理、遥控指令处理等模块。

3.4 无人机外形显示分系统

外形显示分系统采用VC++2010软件,基于OpenGL进行开发。软件模块包括:通信接口模块、三维演示模块、仪表显示模块等。

3.5 软件开发过程中的两个关键问题

(1)降低系统间通信时间延迟技术

由于采用分布式、模块化结构,各分系统之间通过串口通信,难免会产生通信时延问题,在软件设计过程中采取了如下措施进行解决:

①减小飞行系统模拟软件的仿真步长,增加了飞行参数的连续性;

②提高飞行系统模拟、传感器与机载测控模拟与飞控计算机模拟三个分系统之间的姿态信息传输的串口波特率;

③优化传感器与机载测控模拟分系统与其他分系统之间串口数据通信的帧结构;确保姿态信息以最短的时间到达飞控计算机。

(2)工控设备数据实时性处理技术

由于传感器与机载测控模拟分系统采用工控机架构,需要同时与飞行系统模拟等多个分系统等进行数据通信,所有的任务均要求在毫秒级完成。在软件设计中,采用在Windows环境下应用MulTImedia TImer(多媒体定时器)结合多线程来实现。应用多媒体定时器是计算机从硬件上支持的精确定时器,其定时误差一般可达到十微秒级,完全可以满足实时性要求。

4 平台功能测试验证

4. 1 飞控系统仿真测试功能验证

按图1连接平台各个组成部分,运行各应用软件,进行全系统基本功能测试。测试结果如图7所示。无人机能够按照预先装订的航路完成飞行仿真;遥控/遥测模拟软件能实时显示无人机的姿态信息、传感器模拟信息等,以二维曲线和状态指示灯的方式直观显示;以三维动画的方式逼真显示无人机飞行过程中的姿态、高度变化情况。

无人机飞控系统半实物仿真平台设计方案解析

4.2 干扰条件下飞行性能模拟功能测试

(1)风干扰模式下的仿真

在飞行系统模拟分系统中,通过“风干扰”功能按钮,分别设置风干扰为正北向90°,80 m/s和正北向180°,80 m/s,观察无人机飞行仿真航迹变化情况,如图8所示。可以看到,无人机受到风干扰后,航迹短时发生了明显变化,之后飞控系统能够及时纠正航路偏差,使无人机按照预定航路飞行。

无人机飞控系统半实物仿真平台设计方案解析

(2)干扰力矩作用下的仿真

在飞行系统模拟分系统中,分别设置外部干扰为1000 N·m和500 N·m的常值干扰力矩,观察无人机在此干扰情况下的仿真情况,如图9所示。由图可以看出,不同力矩作用下的无人机各舵偏角和舵偏角速率大小。在施加干扰力/力矩情况下,无人机姿态发生了明显变化,随之飞控系统通过不断调整舵偏角和舵偏角速率来消除外加干扰的影响,保证无人机能够按照预定的姿态正常飞行。

4.3 传感器故障情况下飞行模态测试

在无人机自主飞行过程中,设置传感器模拟故障,发送“人工引导”指令后,无人机进入遥控指令飞行模态。发送向右、直飞、向左等遥控指令,观察无人机的飞行航迹。“人工引导”模态完成后解除传感器故障,再发送“自主飞行”指令,无人机重新进入自主飞行状态,由飞控系统自动调整飞行参数,向设定的航点飞行,如图10所示。

无人机飞控系统半实物仿真平台设计方案解析

5 结语

本文介绍了无人机飞控系统半物理仿真平台的基本功能、总体技术方案、硬件选型方案和软件设计方案。最后,对平台的基本功能进行了测试验证。该平台不仅可以用于飞控系统的仿真测试,还可以进行无人机飞行规律研究、飞行性能评估、操控人员模拟训练等。

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发表于 2018-05-28 11:18 575次阅读
便携式反无人机系统集锦

“独角兽”大疆投资人透露:账面已浮盈100倍

6年前,当黄伟把自己的几十万元投到大疆创新的时候,他只是单纯觉得这是个好项目,可能也并没想到当初这几...

发表于 2018-05-26 01:31 454次阅读
“独角兽”大疆投资人透露:账面已浮盈100倍

油电混合无人机在救灾领域起到的重要作用

传统锂电无人机受限于电池的容量极限,续航时间短,尤其是载荷情况下,航时不超过30分钟,不能长时间滞空...

发表于 2018-05-25 17:09 664次阅读
油电混合无人机在救灾领域起到的重要作用

在人力成本飙升的当下,机器人上岗成为配送员已是大...

近年来,诸如富士康等工厂也在想办法解决量产难题。根据媒体报道,富士康烟台工厂2015年2月量产Pep...

发表于 2018-05-25 14:18 435次阅读
在人力成本飙升的当下,机器人上岗成为配送员已是大...

大疆在无人机领域遥遥领先的原因分析

从“互联网+”概念的提出到现在,互联网与各行业的融合已经进入到了深层次阶段。而在“互联网+”变革社会...

发表于 2018-05-25 12:01 333次阅读
大疆在无人机领域遥遥领先的原因分析

面向企业市场的无人机技术:大疆创新

当今随着人工智能技术的不断成熟,在企业业务当中已经能够看到很多实际应用,看中国人工智能服务,实际上,...

发表于 2018-05-25 10:35 890次阅读
面向企业市场的无人机技术:大疆创新

内置AI无人机可自行判断飞行路径

虽然近年电脑深度学习和人工智能发展迅速,不过无人机因为机件的记忆体、频宽和功率等条件所效,在当中设置...

发表于 2018-05-24 17:52 673次阅读
内置AI无人机可自行判断飞行路径

UTC推出5.5寸光学感应器,兼容军用民用无人机

美国科技公司 UTC Aerospace Systems 推出直径只有 5.5 寸的光学感应器 TA...

发表于 2018-05-24 17:43 657次阅读
UTC推出5.5寸光学感应器,兼容军用民用无人机

无人机倾斜影像三维建模中的问题

参数设置包括:坐标及单位定义、分辨率、成像 中心、校正参数、添加影像、网格大小、畸变去除。 设置好上...

发表于 2018-05-24 15:54 1329次阅读
无人机倾斜影像三维建模中的问题

无人机获奖占领天空 需要专门的空中交通控制系统

美国宇航局(NASA)正和其他几个机构开发UAS交通管理(UTM)网络,他们计划明年完成测试。尤其是...

发表于 2018-05-24 14:25 642次阅读
无人机获奖占领天空 需要专门的空中交通控制系统

在物流领域,无人机有哪些应用场景?千亿级的无人机...

在国外这一应用已经实现。比如,去年,冰岛电商平台 AHA就与以色列无人机物流公司 Flytrex 合...

发表于 2018-05-24 10:17 903次阅读
在物流领域,无人机有哪些应用场景?千亿级的无人机...

张召忠:未来无人机是“自主式”

张召忠带来一场题为“中国军用无人机的发展”的主题论坛,为大家揭开军用无人机的神秘面纱。他认为,中国军...

发表于 2018-05-24 08:56 449次阅读
张召忠:未来无人机是“自主式”

水下智能机器人公司ROBOSEA熊明磊:水下无人...

多旋翼无人机的出现让大疆成为空中航拍霸主,后来者不得不在行业内另辟蹊径。而海洋,或许是天空之外的一个...

发表于 2018-05-24 08:47 301次阅读
水下智能机器人公司ROBOSEA熊明磊:水下无人...

首次使用无人机搭载倾斜摄影机开展空中取证

北京市检察机关坚持“首善”标准,依托北京科技和人才优势,积极推动科技强检融入北京科技创新中心建设,促...

发表于 2018-05-24 08:39 480次阅读
首次使用无人机搭载倾斜摄影机开展空中取证

无人机容易被干扰的原理

虽然形似狙击枪,但却有完全不同的工作原理,可以通过发射干扰信号,切断无人机与控制器间的通讯,扰乱GP...

发表于 2018-05-24 02:49 287次阅读
无人机容易被干扰的原理

顺丰抢占先机拿到无人机商业牌照 无人机送快递指日...

顺丰的无人机物流布局开始得很早,几乎与亚马逊和 Google 母公司 Alphabet 同步开始。

发表于 2018-05-23 07:18 289次阅读
顺丰抢占先机拿到无人机商业牌照 无人机送快递指日...

无人机如何不再任性飞 实名登记细化 监管法规完善

国家空中交通管制委员会办公室组织起草了《无人驾驶航空器飞行管理暂行条例》(以下简称《条例》征求意见稿...

发表于 2018-05-22 20:34 625次阅读
无人机如何不再任性飞 实名登记细化 监管法规完善

一款仅售899的无人机,还具备不俗的硬件配置,你...

iDol智能飞行器具备1080P/30f视频输出,1920×1080照片分辨率,稳定流畅的还原更精准...

发表于 2018-05-22 10:22 723次阅读
一款仅售899的无人机,还具备不俗的硬件配置,你...

无人机黑飞事件频发难防范 民航局要求对无人机实施...

无人机实名登记出台,源自近年来频发的“黑飞”(未登记飞行)无人机安全隐患。民航局的统计显示,4月,全...

发表于 2018-05-22 07:42 659次阅读
无人机黑飞事件频发难防范 民航局要求对无人机实施...

珠海企业研发可在零下60℃环境中工作的工业级无人...

紫燕在国际防务市场的名气早已响当当,被业内评为“全球范围内唯一空中一体化的中小型无人直升机解决方案供...

发表于 2018-05-22 03:43 212次阅读
珠海企业研发可在零下60℃环境中工作的工业级无人...

遭遇瓶颈的大疆无人机该如何另辟新天地?

2015年是无人机融资市场的巅峰期,一年后便迎来了行业洗牌。虽说无人机市场风口已过,但企业仍在蠢蠢欲...

发表于 2018-05-22 03:34 280次阅读
遭遇瓶颈的大疆无人机该如何另辟新天地?

BAE系统公司研发新型太阳能无人机

BAE系统公司同英国棱柱公司(Prismatic)共同研发高空长航时太阳能无人机,首架样机命名为PH...

发表于 2018-05-22 03:24 231次阅读
BAE系统公司研发新型太阳能无人机

小米众筹上架iDol无人机支持AI手势

小米有品于515购物节期间上架了一款名为IDol的四轴智能飞行器(无人机),来自逗映科技,众筹价格8...

发表于 2018-05-22 03:20 340次阅读
小米众筹上架iDol无人机支持AI手势

顺丰10亿元投资无人机技术

为巩固在中国利润丰厚的电商物流领域的地位,按市值计中国最大的快递公司顺丰控股正设立一支规模达10亿元...

发表于 2018-05-22 03:15 232次阅读
顺丰10亿元投资无人机技术

中国邮政水陆两栖无人机具体参数曝光 载荷250公...

中国邮政EMS水陆两栖无人机在湖北荆门试飞成功。

发表于 2018-05-22 03:13 261次阅读
中国邮政水陆两栖无人机具体参数曝光 载荷250公...

燃料电池将面向多领域应用,但也将面临多个挑战

燃料电池是一种多年来一直在使用的能源,但从未成为主流。虽然它是一种绿色、清洁的能源,发电的副产品只有...

发表于 2018-05-21 10:57 221次阅读
燃料电池将面向多领域应用,但也将面临多个挑战

淮安市首批无人机正式持证上线

操作无人机要遵守相关法律法规,并确保无人机安全飞行;商业活动需要使用无人机,要向相关部门申请,递交飞...

发表于 2018-05-21 10:40 236次阅读
淮安市首批无人机正式持证上线

无人机人才稀缺 相关专业相继在各高校展开

近几年,随着技术的进步和各项成本的下降,民用无人机制造业发展迅速,在航拍、测绘、能源、植保、消防、救...

发表于 2018-05-21 10:35 329次阅读
无人机人才稀缺 相关专业相继在各高校展开

无人机成长猛如虎 现已跨入无人机掌上时代

一直以来无人机是我们热衷的话题,据第三方机构Statista预测,全美2017年消费级无人机销售额将...

发表于 2018-05-21 05:03 303次阅读
无人机成长猛如虎 现已跨入无人机掌上时代

英特尔的商用无人机一直引领着无人机领域

英特尔致力于不断开发创新技术,并引领无人机领域——尤其是商用无人机领域。 过去几个月,英特尔一直致力...

发表于 2018-05-20 09:22 300次阅读
英特尔的商用无人机一直引领着无人机领域

激光雷达应用除了无人驾驶汽车,还有无人驾驶飞机

雷达对很多人而言并不陌生,但激光雷达可能听到得不多,近年随着谷歌、特斯拉等无人驾驶技术的曝光,激光雷...

发表于 2018-05-19 10:18 423次阅读
激光雷达应用除了无人驾驶汽车,还有无人驾驶飞机

察打一体消防灭火无人机的优势,消防灭火无人机是有...

高空侦察:无人机能够在空中长时间稳定悬停,观察火势发展和群众受困情况。华科尔FE15灭火无人机更能接...

发表于 2018-05-18 10:25 527次阅读
察打一体消防灭火无人机的优势,消防灭火无人机是有...

一款自主研发的工业级无人机“天珠 C85”

传统的工业级无人机体积大,重量大。无法折叠,拆装繁琐。需要用大的箱子来存放,这样就给运输的过程带来了...

发表于 2018-05-18 10:22 469次阅读
一款自主研发的工业级无人机“天珠 C85”

“战斧”H16特种无人机亮点,无人机在警用安防领...

其实我们知道,我国有很多警种,包括武警、特警、民警、交警、火警等等,而传统的治安维护模式已经渐渐的力...

发表于 2018-05-18 09:57 613次阅读
“战斧”H16特种无人机亮点,无人机在警用安防领...

大疆史上最强融资背后:荣耀、危机与焦虑

2017年,大疆营业收入175.7亿元人民币,估值150亿美元。到2022年,大疆预计营收将达170...

发表于 2018-05-17 16:29 1606次阅读
大疆史上最强融资背后:荣耀、危机与焦虑

未来有了5G的“人间天堂”会是什么样子的呢?未来...

下面来到了华为联合浙江移动的5G无人机VR直播展示区,远在浙大玉泉校区的无人机,把玉泉的美景,实时传...

发表于 2018-05-17 16:18 1011次阅读
未来有了5G的“人间天堂”会是什么样子的呢?未来...

大疆创新当日在英特尔2018年智慧教育峰会上推出...

App中亦配备全新的趣味编程游戏,总共设置12个星球任务,学生需在游戏中协助RoboMaster机甲...

发表于 2018-05-17 14:21 665次阅读
大疆创新当日在英特尔2018年智慧教育峰会上推出...

无人机“黑飞”状况怎么治?政府、企业、个人能做些...

该负责人认为,轻型无人机个人消费属性明确,是人们日常生活中的家庭拍摄、娱乐设备,属于日常消费品。此前...

发表于 2018-05-17 14:18 499次阅读
无人机“黑飞”状况怎么治?政府、企业、个人能做些...

美国宣布了新的联邦法规,无人机拥有了符合美国法律...

对于亚马逊来说,Chao表示FAA将与150名IPP申请人中的其他人将继续为这个目标的实现而努力工作...

发表于 2018-05-17 14:15 362次阅读
美国宣布了新的联邦法规,无人机拥有了符合美国法律...

AMEYA360设计方案丨无人机遥控手柄

发表于 2018-05-11 17:20 397次阅读
AMEYA360设计方案丨无人机遥控手柄

无人机超声波互相干扰问题

发表于 2018-05-10 11:59 158次阅读
无人机超声波互相干扰问题

无人机遥控方向控制问题

发表于 2018-05-10 11:26 179次阅读
无人机遥控方向控制问题

张飞老师答疑第一期:无人机四旋翼

发表于 2018-05-09 19:27 1518次阅读
张飞老师答疑第一期:无人机四旋翼

【资料】Flying使用说明书(APP版)和(遥控版)

发表于 2018-05-09 19:02 95次阅读
【资料】Flying使用说明书(APP版)和(遥控版)

【资料】无人机开箱组装视频下载链接

发表于 2018-05-09 18:59 124次阅读
【资料】无人机开箱组装视频下载链接

【资料】第14部视频课件:锂电池资料

发表于 2018-05-09 18:58 116次阅读
【资料】第14部视频课件:锂电池资料

【资料】第14部视频课件:无人机培训.pdf

发表于 2018-05-09 18:56 126次阅读
【资料】第14部视频课件:无人机培训.pdf

Ameya360 无人机视觉、高级传感与处理解决方案

发表于 2018-04-23 17:22 280次阅读
Ameya360 无人机视觉、高级传感与处理解决方案

用matlab怎么检测无人机图传信号中有WiFi干扰?

发表于 2018-03-14 20:11 650次阅读
用matlab怎么检测无人机图传信号中有WiFi干扰?