基于VeriStand的實(shí)時(shí)飛行測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

丁軍輝

(91851部隊(duì)，遼寧 葫蘆島 125001)

基于VeriStand的實(shí)時(shí)飛行測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

丁軍輝

(91851部隊(duì)，遼寧 葫蘆島 125001)

針對(duì)飛行器改裝帶來的實(shí)時(shí)模飛測(cè)試問題，提出了一種實(shí)時(shí)飛行測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)方案;首先分析了待測(cè)飛控及安控系統(tǒng)的工作過程和技術(shù)特性，給出了實(shí)時(shí)測(cè)試系統(tǒng)應(yīng)該具備的功能;基于功能需求，明確了系統(tǒng)采用PC上位機(jī)-PXI實(shí)時(shí)下位機(jī)的硬件架構(gòu)，同時(shí)給出了上位機(jī)、下位機(jī)的硬件資源配置;系統(tǒng)采用VeriStand、MathWorks Simulink?、LabVIEW分別完成實(shí)時(shí)測(cè)試項(xiàng)目配置與管理、實(shí)時(shí)模型開發(fā)、虛擬串口設(shè)備驅(qū)動(dòng)開發(fā)任務(wù)，并詳細(xì)討論了實(shí)時(shí)模型和虛擬串口設(shè)備驅(qū)動(dòng)的開發(fā)過程;最后分析了實(shí)時(shí)測(cè)試結(jié)果。

VeriStand；實(shí)時(shí)；飛行測(cè)試系統(tǒng)

0 引言

某型飛行器因改裝需要，重新設(shè)計(jì)了飛控模型和安控模型，新研了飛行控制計(jì)算機(jī)、安全控制計(jì)算機(jī)、嵌入式飛控及安控軟件等。開發(fā)過程中，除進(jìn)行計(jì)算機(jī)單機(jī)地面試驗(yàn)和軟件評(píng)測(cè)外，還需采用實(shí)時(shí)飛行測(cè)試系統(tǒng)閉環(huán)動(dòng)態(tài)測(cè)試模型、軟件、設(shè)備、軟硬接口等設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)的正確性和系統(tǒng)工作協(xié)調(diào)性[1-3]，為此開發(fā)了本實(shí)時(shí)飛行測(cè)試系統(tǒng)。

1 功能分析

改裝后的飛行器采用自動(dòng)駕駛儀體制，由三自由度框架陀螺儀敏感飛行姿態(tài)，高度表測(cè)量飛行高度，航向、俯仰、傾斜、高度信號(hào)均以模擬電壓形式送給飛行控制計(jì)算機(jī)；采用北斗定位設(shè)備測(cè)量飛行器質(zhì)心位置，并按照指定數(shù)據(jù)格式將定位信息送至安控計(jì)算機(jī)，供安控計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)控飛行器是否在給定航區(qū)內(nèi)飛行；飛行器共配置八套舵機(jī)，每套舵機(jī)以模擬量電壓形式輸出舵偏角反饋信號(hào)。飛行器自動(dòng)控制系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 飛行器自動(dòng)控制系統(tǒng)框圖

由圖1可知，為了在地面動(dòng)態(tài)檢驗(yàn)飛控與安控計(jì)算機(jī)的模型、軟件、設(shè)備、軟硬接口等，實(shí)時(shí)飛行測(cè)試系統(tǒng)必須具備以下功能：

1)具備飛行器推力和質(zhì)量變化規(guī)律解算功能。能實(shí)時(shí)給出飛行器當(dāng)前的推力和質(zhì)量，模擬實(shí)際飛行過程中因燃料燃燒或級(jí)間分離導(dǎo)致的飛行器質(zhì)量變化過程。

2)具備飛行器六自由度動(dòng)力學(xué)和運(yùn)動(dòng)學(xué)解算功能。能夠根據(jù)當(dāng)前的舵偏角計(jì)算出飛行器操縱力矩，能夠根據(jù)當(dāng)前氣動(dòng)力、推力、質(zhì)量分布、力矩等解算出飛行器的實(shí)時(shí)角加速度、角速度、線加速度、線速度。

3)具備信號(hào)或數(shù)據(jù)輸入輸出功能。能夠以模擬量電壓形式輸出飛行器當(dāng)前的姿態(tài)角和飛行高度，能夠?qū)?dāng)前的位置坐標(biāo)打包成指定數(shù)據(jù)格式輸出，能夠?qū)崟r(shí)采集八套舵機(jī)的舵偏角信號(hào)，接收或發(fā)出相關(guān)開關(guān)量控制指令。

4)飛行狀態(tài)監(jiān)控功能。能夠?qū)崟r(shí)顯示、在線監(jiān)測(cè)飛行測(cè)試系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)和輸出數(shù)據(jù)，能夠在線干預(yù)實(shí)時(shí)仿真過程，能夠?qū)崟r(shí)接收、存儲(chǔ)飛控計(jì)算機(jī)、安控計(jì)算機(jī)的遙測(cè)輸出數(shù)據(jù)。

具備上述功能的實(shí)時(shí)測(cè)試系統(tǒng)與被測(cè)對(duì)象對(duì)接后的系統(tǒng)框圖如圖2所示。

圖2 飛行測(cè)試系統(tǒng)對(duì)接框圖

3 硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用上位機(jī)開發(fā)部署、下位機(jī)仿真運(yùn)行的工作模式[4-5]。由上位機(jī)、下位機(jī)、適配器、仿測(cè)電纜、直流電源五部分組成，系統(tǒng)硬件組成及連接如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)硬件組成連接框圖

上位機(jī)為一臺(tái)具備網(wǎng)絡(luò)通信功能的普通臺(tái)式計(jì)算機(jī)，用于仿真模型開發(fā)、仿真測(cè)試項(xiàng)目配置與部署、監(jiān)控/干預(yù)實(shí)時(shí)仿真測(cè)試過程等工作。臺(tái)式機(jī)內(nèi)部配置一塊PCI結(jié)構(gòu)的RS422接口卡，用于實(shí)時(shí)測(cè)試前向飛控、安控計(jì)算機(jī)發(fā)送控制信息，仿真過程中接收飛控、安控計(jì)算機(jī)輸出的遙測(cè)數(shù)據(jù)信息。

下位機(jī)由NI公司PXI結(jié)構(gòu)實(shí)時(shí)系統(tǒng)產(chǎn)品配置而成，包括PXI機(jī)箱、實(shí)時(shí)控制器(PXI-8109RT)、開關(guān)量輸入輸出模塊、模擬量輸出模塊、模擬量輸入模塊、RS422通信模塊、配套電纜等，負(fù)責(zé)運(yùn)行仿真模型和提供與飛控計(jì)算機(jī)、安控計(jì)算機(jī)、舵機(jī)等設(shè)備交互的開關(guān)量、模擬量、數(shù)字通信接口。

適配器為非標(biāo)設(shè)備，在仿真系統(tǒng)中起承上啟下作用，用于完成所有實(shí)時(shí)測(cè)試信號(hào)的轉(zhuǎn)接、分壓、隔離等適配任務(wù)，對(duì)外面板設(shè)計(jì)供電、啟動(dòng)等手動(dòng)開關(guān)和關(guān)鍵信號(hào)指示燈、電流電壓數(shù)字表頭等組件。

4 軟件設(shè)計(jì)

4.1 基于VeriStand的實(shí)時(shí)軟件開發(fā)過程

VeriStand是NI公司推出的實(shí)時(shí)仿真管理軟件，運(yùn)行在Windows操作系統(tǒng)上。它簡單易用，無需編程即可完成實(shí)時(shí)測(cè)試系統(tǒng)的創(chuàng)建，實(shí)現(xiàn)HiL(Hard-In-Loop)測(cè)試中所需的各種功能[6]。軟件能夠以統(tǒng)一的人機(jī)接口接收、識(shí)別、配置由LabVIEW、MathWorks Simulink?等多種建模環(huán)境開發(fā)的控制算法、仿真模型及其它任務(wù)，配置完成后的仿真項(xiàng)目可以透明地部署到運(yùn)行VxWorks或PharLap操作系統(tǒng)的下位機(jī)上。

本系統(tǒng)的開發(fā)過程如下：

1)采用MathWorks Simulink?開發(fā)實(shí)時(shí)模型軟件并進(jìn)行離線仿真，確定實(shí)時(shí)軟件邏輯正確性，設(shè)置對(duì)外接口，選用ode4(Runge-Kutta)求解器，配置為定步長模式，編譯并生成*.dll文件。

2)在LabVIEW環(huán)境下開發(fā)RS422實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通信驅(qū)動(dòng)程序，配置并生成實(shí)時(shí)引擎。

3)在VeriStand環(huán)境中導(dǎo)入*.dll模型文件，將模型對(duì)外輸入輸出接口分別與PXI模塊上的硬件通道進(jìn)行關(guān)聯(lián)映射，將模型對(duì)外輸出的數(shù)字量接口變量與虛擬串口設(shè)備輸入接口一一映射。

4)在VeriStand環(huán)境下設(shè)計(jì)虛擬監(jiān)控面板，關(guān)聯(lián)虛擬儀器控件至模型參數(shù)或硬件通道，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控及在線交互。

5)將配置完成的實(shí)時(shí)模型項(xiàng)目部署到下位機(jī)上，利用虛擬監(jiān)控面板啟動(dòng)、停止、監(jiān)控實(shí)時(shí)測(cè)試系統(tǒng)運(yùn)行。

4.2 實(shí)時(shí)模型設(shè)計(jì)

實(shí)時(shí)模型部署后運(yùn)行在下位機(jī)的PharLap系統(tǒng)上，總體上由功能模塊、對(duì)外接口兩部分組成。

功能模塊由飛行器運(yùn)動(dòng)及動(dòng)力學(xué)模塊、質(zhì)量及推力模塊、控制角計(jì)算模塊、舵角度分配模塊、坐標(biāo)變換模塊組成，模塊之間的數(shù)據(jù)傳輸直接通過信號(hào)連接線完成，實(shí)時(shí)模型對(duì)硬件模擬量、開關(guān)量、自定義串口設(shè)備、面板控制量的接口利用Simulink Library中的NI Veristand IN和NI Veristand OUT分別標(biāo)注為輸入和輸出通道。完成后的實(shí)時(shí)模型軟件如圖4所示。

圖4 實(shí)時(shí)模型

模型中，TL_HX、TL_FY、TL_QX、GD分別與硬件模擬量輸出通道對(duì)應(yīng)以電壓形式輸出航向/俯仰/傾斜/高度信號(hào)，*DPJ_*分別對(duì)應(yīng)于八個(gè)模擬量輸入通道接收八套舵機(jī)的舵偏角電壓信號(hào)，T與系統(tǒng)仿真時(shí)間關(guān)聯(lián)作為實(shí)時(shí)測(cè)試的時(shí)間軸，XE、YE、ZE、VXE、VYE、VZE關(guān)聯(lián)到虛擬串口設(shè)備的輸入接口以實(shí)時(shí)輸出位置數(shù)據(jù)幀至安控計(jì)算機(jī)，圖4中其余輸入變量分別關(guān)聯(lián)至虛擬監(jiān)控面板對(duì)應(yīng)控制量。

4.3 實(shí)時(shí)RS422數(shù)據(jù)通信驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)

VeriStand提供了對(duì)PXI實(shí)時(shí)計(jì)算機(jī)中硬件開關(guān)量、模擬量通道的直接驅(qū)動(dòng)支持，在VeriStand環(huán)境下通過手動(dòng)配置模型軟件輸入輸出通道與模塊硬件通道的映射關(guān)系，即可完成軟件對(duì)硬件接口的驅(qū)動(dòng)設(shè)置。但該軟件未提供對(duì)實(shí)時(shí)PXI系統(tǒng)中串口的直接驅(qū)動(dòng)支持，提供了廣義的自定義設(shè)備架構(gòu)，允許用戶在第三方平臺(tái)下開發(fā)對(duì)RS422、CAN等數(shù)字接口的驅(qū)動(dòng)軟件，導(dǎo)入VeriStand后作為具備特定功能的接口驅(qū)動(dòng)使用。

本系統(tǒng)基于LabVIEW平臺(tái)開發(fā)了RS422實(shí)時(shí)通信驅(qū)動(dòng)，以完成發(fā)送位置數(shù)據(jù)幀至安控計(jì)算機(jī)的任務(wù)。該驅(qū)動(dòng)具備兩個(gè)功能，一是接收模型軟件輸出的飛行器位置坐標(biāo)并轉(zhuǎn)換為指定的數(shù)據(jù)幀格式，二是能夠在PharLap環(huán)境下經(jīng)指定的串行端口定時(shí)輸出位置數(shù)據(jù)包。

LabVIEW下實(shí)時(shí)串口自定義設(shè)備驅(qū)動(dòng)包括初始化、主面板、遠(yuǎn)程驅(qū)動(dòng)三部分。

初始化程序完成串口自定義設(shè)備數(shù)據(jù)映射接口的定義和顯示，只在VeriStand環(huán)境下使用。本虛擬串口設(shè)備共設(shè)計(jì)7路輸入通道，分別用于接收實(shí)時(shí)模型輸出的飛行器當(dāng)前坐標(biāo)(XE，YE，ZE)、當(dāng)前速度(VXE，VYE，VZE)和仿真運(yùn)行時(shí)間T，無輸出通道，所有輸入通道均為float類型，默認(rèn)值為0，設(shè)計(jì)完成后的初始化程序圖見圖5。

圖5 初始化程序框圖

主面板用于在VeriStand環(huán)境下顯示和設(shè)置虛擬串口設(shè)備的端口號(hào)、波特率、起始位、停止位、數(shù)據(jù)位、校驗(yàn)等信息，上述信息隨實(shí)時(shí)軟件部署到下位機(jī)后，遠(yuǎn)程驅(qū)動(dòng)即以該信息初始化物理串口。程序采用事件結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)，捕捉到參數(shù)值更改事件后即以更改后的參數(shù)值作為新值使用，程序核心如圖6所示。

遠(yuǎn)程驅(qū)動(dòng)程序運(yùn)行于PharLap實(shí)時(shí)系統(tǒng)下，是虛擬串口設(shè)備的核心程序，包括串口初始化(圖7)、數(shù)據(jù)接收與幀格式生成和數(shù)據(jù)幀發(fā)送(圖8)三部分。

圖6 串口配置程序框圖 圖7 串口初始化程序框圖

串口初始化程序以部署后的串口設(shè)置信息初始化串口。PharLap系統(tǒng)下數(shù)據(jù)發(fā)送的本質(zhì)是利用一定時(shí)Data Loop，周期性地從RT fifo中讀取由自定義設(shè)備接口接收到的飛行器位置數(shù)組，經(jīng)數(shù)據(jù)幀生成子程序生成字符串，然后利用VISA 串口控件將字符串經(jīng)指定串口發(fā)出。數(shù)據(jù)接收與幀格式生成和數(shù)據(jù)幀發(fā)送程序(單周期)如圖8所示。

圖8 數(shù)據(jù)接收、幀生成與發(fā)送框圖(單周期)

5 實(shí)時(shí)飛行測(cè)試試驗(yàn)

實(shí)時(shí)飛行測(cè)試系統(tǒng)通電工作狀態(tài)的數(shù)據(jù)流圖見圖9。

圖9 系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)流圖

PXI計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)進(jìn)行飛行器受力、力矩、質(zhì)量、運(yùn)動(dòng)計(jì)算和坐標(biāo)、角度變換等，并通過模擬量、數(shù)字量接口輸出姿態(tài)、高度、位置、運(yùn)行狀態(tài)等信號(hào)，通過模擬量接收舵角度信號(hào)。

圖10為一次高度機(jī)動(dòng)模飛試驗(yàn)時(shí)PXI計(jì)算機(jī)輸出的飛行器攻角變化情況，從數(shù)據(jù)上看，實(shí)時(shí)飛行測(cè)試系統(tǒng)穩(wěn)定飛完全

圖10 PXI實(shí)時(shí)計(jì)算機(jī)輸出的攻角數(shù)據(jù)

程，信號(hào)傳遞極性和數(shù)值無誤，飛行時(shí)間連續(xù)，系統(tǒng)性能滿足被測(cè)飛行器模飛測(cè)試對(duì)實(shí)時(shí)性、接口的性能要求。

5 結(jié)論

由VeriStand、PC上位機(jī)-PXI架構(gòu)下位機(jī)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)飛行測(cè)試系統(tǒng)可充分發(fā)揮實(shí)時(shí)模型開發(fā)平臺(tái)多樣化和PXI硬件資源豐富的優(yōu)點(diǎn)，充分利用已有的模型成果，降低開發(fā)工作量和項(xiàng)目難度。

經(jīng)過示波器監(jiān)測(cè)，本系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間十分準(zhǔn)確，完全可滿足毫秒級(jí)的實(shí)時(shí)測(cè)試需要。串行數(shù)據(jù)通信數(shù)據(jù)幀打包、發(fā)送性能可靠，無丟幀、誤碼現(xiàn)象，可廣泛應(yīng)用到實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)測(cè)試和系統(tǒng)模飛任務(wù)中。

[1] 張妍懿，金振華，熊 溪，等. 基于VeriStand的混合動(dòng)力快速原型控制系統(tǒng)[J]．電子測(cè)量技術(shù)，2014(8)：132-135．

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Design and Realization of Real-Time Flight Testing System Based on VeriStand

Ding Junhui

(Unit 91851 of PLA, Huludao 125000, China)

In order to solve the problem of real-time flight simulation test of the modified vehicle, a design and realization scheme of real-time flight test system was proposed in this paper. The working process and technical features of flight control system and safety control system that would be tested was analyzed firstly and the function of the real-time test system was listed. Based on the function demand, the hardware structure was suggested that the system should be composed by PC and PXI real- time computer, at the same time, the hardware resource was advised. The configuration and management of real-time test project, the software of real-time model, the driver software of the virtual series interface equipment in the system was respectively developed by VeriStand, MathWorks Simulink?, LabVIEW, the development process of the real-time model software and the virtual series interface equipment software was discussed detailedly. The real-time test results was analyzed finally.

VeriStand；real-time；flight-test system

2016-07-27；

2016-08-11。

丁軍輝(1979-)，男，河南人，碩士，工程師，主要從事飛行器控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與檢測(cè)方向的研究。

1671-4598(2016)12-0110-03

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2016.12.031

TP216

A