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无人机系统模块开发设计与仿真

2015年05月18日 10:01 次阅读

  在开发的早期阶段,开发一个硬件在环(HIL)测试环境来测试无人机GNC解决方案。HIL测试环境是软件仿真和飞机实验的一个中间步骤,对于无人机GNC软件的开发过程非常关键。通过HIL环境,工程师可以在一个可控的仿真环境中对无人机软件进行测试。同时,它也能加速设计,缩短开发周期,通过HIL环境,工程师可以发觉软件仿真(主要是同步和定时)中没有出现的问题,从而避免现场试验的故障,并增加无人机团队的安全性。开发了一个通用的HIL平台来设计验证控制和导航算法。这个HIL测试环境完全集成在一个基于模型的设计开发周期中(见图1)。

  无人机系统模块开发设计与仿真

  图1 : HWIL测试环境示意图

  基于模型的开发

  首先我们设计编改了无人机平台,将其用于仿真,并将控制器和算法部署至硬件中。根据基于模型的设计理念来完成这个任务。对于系统设计和仿真来说这是一个可靠方便的方法。使用代码自动生成工具可以使我们减少设计时间,轻松完成对于测试架构的重复利用,以及快速系统原型,从而形成一个连续的确认和验证过程。

  构架的目的包括:在不同的硬件平台上不用任何改变即可对模型重复利用;对设计测试套件模型进行重复使用以验证目标系统;将透明模型完全集成到目标硬件中,并创建一个系统的,快速的流程,将自动生成的代码集成到目标硬件,从而使得控制工程师无需软件工程师的参与,即可以快速测试模型(见图2)。对于这个项目,使用Simulink®公司的MathWorks软件(我们还使用了Esterel Technologies公司的SCADE套件)开发了模型任务,并使用MathWorks和Real-TIme Workshop®公司的软件实现自动编码。需要两次不同的编改:在无人机中进行测试及执行的算法是由ANSI C代码编写的,仿真无人机动态行为的数学模型将通过LabVIEW仿真接口工具包转换至NI LabVIEW软件动态库中。

  无人机系统模块开发设计与仿真

  图2: 基于模型的开发流程

  在最终的系统中,我们使用多个LabVIEW I/O模块来仿真一些无人机航空电子和逻辑传感器以及激励器接口。

  LabVIEW Real-TIme PXI

  PXI 是一个基于PC的平台,可用于测试,测量和控制,能够在不同的接口和总线中提供高带宽和超低的执行延时。在这个案例中,PXI需要在一个复杂的无人机模型中运行,该模型会在实时中以动态库的形式被执行。 在系统中使用PXI模块能让我们使用无人机上完全一样的接口进行HIL仿真。所以,我们会以现场实验完全相同的配置验证GNC算法处理单元。这对于一些使用纯仿真不足以捕捉所有硬件相关问题(例如信号噪音,错误和同步问题)的系统来说是十分重要的。通过Spirent GSS8000 GPS仿真器,我们能够仿真并生成用户选择的GNSS星座卫星所发出的相同的射频信号。这些信号会以飞行实验相同的方式传送到无人机上真实的GPS传感器,并能仿真惯性传感器(加速度计和回转仪)。可以指定不同的情况,降级信号,指定天线模式及模拟IMU传感器错误。

  无人机系统模块开发设计与仿真

  图3:实验中使用的基于CB5000 RC直升机改装而成的无人机

  板载处理单元

  在实时操作系统(QNX或VxWorks)中运行一个PC/104单元,操作系统中包含了算法和控制策略,用于测试自动代码生成工具和集成架构创建的代码的完成。我们在现场实验的真实无人机中也使用了相同的单元。我们可以使用Simulink External Mode软件对无人机进行调试。通过这个软件,我们可以监测用户需要实时知晓的信号值。此外我们可以改变嵌入式处理单元中所执行算法的参数。在操作中所使用的界面,与控制工程师在仿真设计算法时所使用的界面完全一样。由此,整个测试环境完全透明,而且能以同现场测试一样的方式进行HIL测试,从而大幅减少开发时间。

  对比飞行遥测和使用同样的GNC算法的HIL仿真,可以表明HIL的精准性和与真实测试结果的相似性。在一架改装过的无线电控制的直升飞机上集成了几个传感器(加速度计,回转仪,磁力计,GPS和一个高度计)和一个处理单元(见图3),将其转变成一架无人机,进行飞行测试。无人机在没有过冲或任何一个永久误差的情况下,达到了水平面要求的参考值(见图4和图5)。HIL仿真和真实的飞行测试结果极其一致。

  无人机系统模块开发设计与仿真

  图4:北方位置对比结果

  无人机系统模块开发设计与仿真

  图5: 西方位置对比结果

  HIL环境非常适用于测试包含真实硬件的整个系统。使用NI PXI,我们在实时状态下以低延时仿真了一个复杂的无人机模型,并完美模拟了航空设备界面。这个环境能检测出软件仿真中无法显示的错误,从而避免现场实验意外的发生。因为控制工程师在设计,开发和验证过程中也会使用相同的可视化和调试工具,由此可以快速重复循环,减少开发时间。

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传感技术相关的市场动向和应用新品的三大简讯

用于机器人的传感器将继续以商业应用为主,这里的市场占比超过80%的市场份额。商业市场主要是指工业应用...

发表于 2017-11-27 11:05 1422次阅读
传感技术相关的市场动向和应用新品的三大简讯

硬件工程师的心态战战兢兢如履薄冰-燚智能周教授讲智能硬件开发

发表于 2017-11-24 09:31 616次阅读
硬件工程师的心态战战兢兢如履薄冰-燚智能周教授讲智能硬件开发

语文英语是硬件工程师的天敌?

发表于 2017-11-23 17:38 490次阅读
语文英语是硬件工程师的天敌?

硬件开发实战派和理论派谁更强?燚智能周教授开讲智能硬件那些事

发表于 2017-11-23 10:21 609次阅读
硬件开发实战派和理论派谁更强?燚智能周教授开讲智能硬件那些事

新鲜泉水天上来,“空气化水”的黑科技亮相高交会

天泉空气制水机的亮相让这一切有了答案。11月18日,在第十九届中国国际高新技术成果交易会(简称“高交...

发表于 2017-11-22 19:02 239次阅读
新鲜泉水天上来,“空气化水”的黑科技亮相高交会

第三届中国硬件创新创客大赛总决赛精彩直播回放

发表于 2017-11-22 14:09 1104次阅读
第三届中国硬件创新创客大赛总决赛精彩直播回放

硬创大咖齐聚第十九届高交会,上演最强硬创人巅峰之...

第三届中国硬件创新创客大赛是由深圳华强聚丰与星云加速器主办,并联合硬创大道、安创空间、IC咖啡、Id...

发表于 2017-11-21 20:22 481次阅读
硬创大咖齐聚第十九届高交会,上演最强硬创人巅峰之...

硬件开发重要事情说三遍,燚智能周教授开讲智能硬件那些事

发表于 2017-11-21 17:54 855次阅读
硬件开发重要事情说三遍,燚智能周教授开讲智能硬件那些事

一款集智能投影和蓝牙音箱一体的胶囊投影仪

在海外上线众筹了一款集智能投影和蓝牙音箱一体的胶囊投影仪。这款设备机身只有可乐罐大小,圆柱型360度...

发表于 2017-11-20 16:53 228次阅读
一款集智能投影和蓝牙音箱一体的胶囊投影仪

嵌入式开发中的一些硬件设计上的坑

做嵌入式系统开发,经常要接触硬件。做嵌入式开发对数字电路和模拟电路要有一定的了解。这样才能深入的研究...

发表于 2017-11-20 09:26 2920次阅读
嵌入式开发中的一些硬件设计上的坑

硬见生态,共享智慧,2017硬见开发者论坛在深圳...

本届硬见开发者论坛以“硬见生态,共享智慧”为主题。未来,我们将加强交流与合作,构建硬件开放生态,推动...

发表于 2017-11-19 19:22 375次阅读
硬见生态,共享智慧,2017硬见开发者论坛在深圳...

科技控的狂欢,三星智能门锁DP728深度测评

作为一个科技控,我从小读过太多科幻小说,长到现在,也见过不少预言成真的黑科技,全息投影、悬浮交通、声...

发表于 2017-11-06 17:14 555次阅读
科技控的狂欢,三星智能门锁DP728深度测评

玩转双11,CANON EOS M100缤纷微单...

EOS M100就是这样一个聪明的选择。佳能EOS M100于今年十月上市,一经上市就取得了良好的口...

发表于 2017-11-03 20:51 196次阅读
玩转双11,CANON EOS M100缤纷微单...

三星DP728智能门锁测评

装上以后我迫不及待地尝试了一下指纹开锁,据说这个门锁能录入100个指纹,我家倒是不用那么多,录个十个...

发表于 2017-11-03 14:09 980次阅读
三星DP728智能门锁测评

匠心独运,以人为本,三星智能门锁人性化改进

作为看似不起眼但实际上却又每天必须使用的日常用品,其人性化设计能给人带来细微却又不同的使用感受。而三...

发表于 2017-11-01 12:30 299次阅读
匠心独运,以人为本,三星智能门锁人性化改进

深入理解工程师是艺术家也是思想家

当今,电子工程师与条码技术人才、研发类工程师等值。面临就业市场人才储备不足的问题,并将会在未来的一段...

发表于 2017-10-31 10:23 1957次阅读
深入理解工程师是艺术家也是思想家

硬件工程师一定要有个明确的职业发展方向

前几年一般公司都愿意招聘能力强,资格老的人。一个优秀能干的员工能给公司带来很大的利益。但是,凡事都是...

发表于 2017-10-31 09:14 6945次阅读
硬件工程师一定要有个明确的职业发展方向

半导体产业链及设备,很有必要知道!

中国半导体市场逆势增长,景气度高 半导体是许多工业整机设备的核心,普遍...

发表于 2017-10-30 10:45 3856次阅读
半导体产业链及设备,很有必要知道!

智慧城市标准化,2018将是关键一年

《智慧城市评价模型及基础评价指标体系第3部分:信息资源》标准范围:本部分规定了智慧城市信息资源的评价...

发表于 2017-10-27 06:37 6930次阅读
智慧城市标准化,2018将是关键一年

“花式开锁”才够安全,三星智能门锁誉世而来

选择使用智能门锁的处所,又以中高档公寓、写字楼、酒店等对品质要求更高的环境为主,以精英人士私宅、中高...

发表于 2017-10-26 10:26 392次阅读
“花式开锁”才够安全,三星智能门锁誉世而来

魔兽世界再临,MG电子游戏招财猫全新出击!

根据暴雪嘉年华的说法来看,决战阿古斯是魔兽世界系列的一个转折点,比起以前的系列来说,新魔兽加入了不少...

发表于 2017-10-24 18:36 614次阅读
魔兽世界再临,MG电子游戏招财猫全新出击!

都教授同款,三星智能门锁,精英必备

作为三星智能门锁的热门款,为了给消费者提供更加完善的使用体验,三星在近期又推出了这款主打型号的升级版...

发表于 2017-10-24 12:43 408次阅读
都教授同款,三星智能门锁,精英必备

9年硬件电路设计,如今却很迷茫

做了9年硬件电路设计,5年智能手机,4年医疗器械,看到这个问题,心情很复杂,自己喜爱的工作居然无奈的...

发表于 2017-10-24 09:58 3125次阅读
9年硬件电路设计,如今却很迷茫