飛行控制綜合實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)研制及應(yīng)用

屈曉波,史靜平, 呂永璽, 王長青

(西北工業(yè)大學(xué) 自動化學(xué)院 實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心, 陜西 西安 710072)

實(shí)踐證明實(shí)驗(yàn)教學(xué)是人才培養(yǎng)的一個重要手段[1-2]。本校借助自主研發(fā)的飛行控制開放性綜合實(shí)驗(yàn)設(shè)備,以“自行設(shè)計(jì)、自由探索、自己動手、自主創(chuàng)新”為原則開展創(chuàng)新實(shí)踐。將課堂中講述的理論知識與實(shí)際工程問題相結(jié)合,啟發(fā)學(xué)生開展探索和研究式的自主學(xué)習(xí)和實(shí)踐,增強(qiáng)學(xué)習(xí)和動手實(shí)踐的能力,提高自主創(chuàng)新意識[3-4]。

飛行控制系統(tǒng)綜合實(shí)驗(yàn)課程是一門結(jié)合了諸多實(shí)踐環(huán)節(jié)的開放性綜合實(shí)驗(yàn),是面向?qū)W生創(chuàng)新能力培養(yǎng),并運(yùn)用探究式的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式進(jìn)行深入研究。該實(shí)驗(yàn)課程依托我院自動化教學(xué)實(shí)驗(yàn)中心的團(tuán)隊(duì)科研資源而開展的新型教學(xué)實(shí)驗(yàn)。通過一系列精心設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和問題啟發(fā)、引導(dǎo)學(xué)生思考,為學(xué)生提供探究渠道和創(chuàng)新實(shí)踐機(jī)會,提高學(xué)生在面對復(fù)雜實(shí)際工程時獨(dú)立思考、分析問題和解決問題的綜合能力[5- 6]。

1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)總體方案

自主研發(fā)的面向有人駕駛/無人駕駛飛機(jī)的飛行控制半實(shí)物仿真教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺集成了xPC實(shí)時仿真、VegaPrime三維視景仿真、GL Studio儀表顯示、自動駕駛儀、數(shù)字舵機(jī)、小型縮比飛行平臺等子系統(tǒng)[7-9],是一套閉環(huán)半物理實(shí)時仿真平臺,可供飛行控制相關(guān)專業(yè)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)使用。該系統(tǒng)以先進(jìn)無人駕駛飛行器為被控對象,利用經(jīng)典PID控制算法、現(xiàn)代飛行控制方法(特征結(jié)構(gòu)配置、動態(tài)逆等)設(shè)計(jì)了飛機(jī)的自主飛行控制律,可進(jìn)行數(shù)字仿真、半物理實(shí)時仿真驗(yàn)證,同時具備空中遙控飛行、自動駕駛飛行演示驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)教學(xué)功能。

1.1 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方案

根據(jù)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)建設(shè)目標(biāo),該實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)滿足人工操縱飛行控制實(shí)驗(yàn)、自動飛行控制實(shí)驗(yàn)的有效模擬,實(shí)驗(yàn)硬件盡可能貼近真實(shí)物理設(shè)備,促使學(xué)生對飛機(jī)對象和飛行控制系統(tǒng)組成的理解和掌握。總體方案見圖1。

圖1 飛行控制半物理實(shí)時仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)總體方案

1.1.1 飛機(jī)對象

選用為實(shí)驗(yàn)室自主設(shè)計(jì)開發(fā)的先進(jìn)無人機(jī)平臺(XQ-6B)作為被控對象(不限此對象),該飛機(jī)具有8個舵面、1個油門控制通道,如圖1所示。舵面典型分配構(gòu)型如下:δ1L、δ1R、δ2L、δ2R同向偏轉(zhuǎn),作為升降舵使用,用于控制飛機(jī)的俯仰運(yùn)動；δ3L與δ3R差動組合偏轉(zhuǎn),作為副翼使用,用于控制飛機(jī)的滾轉(zhuǎn)運(yùn)動；左右兩側(cè)開裂式阻力方向舵dLSDR和dRSDR用于控制飛機(jī)的偏航運(yùn)動[10]。該無人機(jī)不但可以作為實(shí)驗(yàn)設(shè)備用于室內(nèi)實(shí)驗(yàn)教學(xué),也可以進(jìn)行室外遙控/自動飛行實(shí)驗(yàn),從而提升學(xué)生對飛行控制的興趣愛好,增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)備的體驗(yàn)感。

該飛機(jī)的氣動模型方面:采用基于CFD計(jì)算+試飛修改方法獲得的靜態(tài)、動態(tài)氣動數(shù)據(jù)。該無人機(jī)六自由度全量非線性仿真模型基于此數(shù)據(jù)搭建[10]。

1.1.2 小型導(dǎo)航飛控系統(tǒng)

針對飛行控制綜合實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)開發(fā)了一款基于STM32 Cortex-M4的硬件設(shè)備(DreamBuiler01),如圖2所示。該系統(tǒng)集成了三軸加速度計(jì)、三軸陀螺、三軸磁力計(jì)、GPS等導(dǎo)航傳感器設(shè)備,具備飛控解算、導(dǎo)航解算等功能,所有硬件接口均為學(xué)生開放。

圖2 DreamBuiler01 硬件(導(dǎo)航飛控、接口板)

實(shí)驗(yàn)的初始階段,將編寫在Keil軟件上的飛控程序、導(dǎo)航程序經(jīng)G-linker下載至DreamBuiler01。工作站顯示與控制軟件通過RS-232接口與DreamBuiler01通信,完成狀態(tài)讀取與指令發(fā)送功能[11]。飛行控制系統(tǒng)基本程序框架、板卡輸入/輸出接口程序、系統(tǒng)中斷服務(wù)程序、舵機(jī)驅(qū)動程序、典型縱/側(cè)向控制律人工飛行控制律程序、典型自動飛行控制系統(tǒng)程序均有實(shí)驗(yàn)教學(xué)人員為學(xué)生提前編寫好,方便學(xué)生開展基本實(shí)驗(yàn),以及各種創(chuàng)新型開放性綜合實(shí)驗(yàn)。

1.1.3 駕駛機(jī)構(gòu)

包括駕駛桿、腳蹬與油門桿,均采用USB通信接口與工作站相連。駕駛桿用于操縱飛機(jī)的俯仰和滾轉(zhuǎn)控制通道；腳蹬用于飛機(jī)的航向控制；油門桿用于控制飛機(jī)的油門開度。

1.1.4 xPC 實(shí)時控制系統(tǒng)(工控機(jī))

用于運(yùn)行飛機(jī)的六自由度全量非線性仿真模型。該模型在工作站中搭建,完成測試檢驗(yàn)后,以xPC target的模式通過8259網(wǎng)卡或RS-232串口下載到xPC工控機(jī)中。工控機(jī)上的xPC操作系統(tǒng)將實(shí)時運(yùn)行并解算飛機(jī)數(shù)學(xué)模型(相當(dāng)于虛擬飛機(jī)對象),通過UDP以太網(wǎng)絡(luò)向運(yùn)行在工作站上的顯示與控制軟件發(fā)送飛機(jī)狀態(tài)數(shù)據(jù)。

1.1.5 工作站

運(yùn)行Matlab Simulink 仿真分析軟件[12-13]、三維視景顯示與綜合控制軟件(各飛行控制模態(tài)實(shí)驗(yàn)),實(shí)時采集駕駛機(jī)構(gòu)控制操縱數(shù)據(jù),并作為控制指令輸出至導(dǎo)航飛控系統(tǒng)中。另外,工作站上運(yùn)行的三維視景子系統(tǒng)以UDP網(wǎng)絡(luò)通信的方式接收由工控機(jī)(飛機(jī)模型)發(fā)送來的飛機(jī)狀態(tài)數(shù)據(jù),實(shí)時驅(qū)動3D飛機(jī)模型運(yùn)動[14-16]。

1.1.6 執(zhí)行機(jī)構(gòu)

DreamBuiler01將控制律的解算輸出作為舵機(jī)的數(shù)字輸入信號,通過PWM波驅(qū)動方式直接輸送至安裝在被控飛機(jī)上的電動數(shù)字舵機(jī),舵機(jī)在該指令后通過連桿機(jī)構(gòu)驅(qū)動飛機(jī)的舵面偏轉(zhuǎn),各個舵面功能和極性配置按照被控飛機(jī)的舵面布置設(shè)定。

1.1.7 小型三軸運(yùn)動控制機(jī)構(gòu)

按照被控飛機(jī)機(jī)體內(nèi)部幾何尺寸和全機(jī)重量等約束條件,自制了小型三軸運(yùn)動控制機(jī)構(gòu),安裝在飛機(jī)重心位置,用于測量和直觀地模擬飛機(jī)的三軸姿態(tài)角運(yùn)動、姿態(tài)角速率參數(shù)信息,并將其作為反饋信號輸入至飛行控制器進(jìn)行控制律的解算。

2 系統(tǒng)工作原理

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中工作站上運(yùn)行Matlab Simulink仿真軟件與顯示、控制軟件,工控機(jī)中運(yùn)行被控飛機(jī)六自由度非線性仿真模型,導(dǎo)航飛控硬件中運(yùn)行飛機(jī)的控制律[17-20]。系統(tǒng)工作原理如下:

(1) 對被控飛機(jī)進(jìn)行配平、線性化處理,獲得典型飛行狀態(tài)下飛機(jī)的縱向、側(cè)向線性化運(yùn)動模型(狀態(tài)方程)，并分析飛機(jī)的縱向長周期長、短周期模態(tài),橫側(cè)向滾轉(zhuǎn)模態(tài)、螺旋模態(tài)和荷蘭滾模態(tài)特性；

(2) 基于飛機(jī)線性模型設(shè)計(jì)人工操縱控制律、自動駕駛控制律、自動油門控制律等；

(3) 將所設(shè)計(jì)的諸多控制律代回非線性六自由度非線性模型,驗(yàn)證控制律是否能夠滿足國軍標(biāo)規(guī)范要求,并進(jìn)行品質(zhì)評價；

(4) 利用KEIL軟件實(shí)現(xiàn)面向STM32 Cortex-M4的程序代碼,并進(jìn)行編譯、下載和調(diào)試；其中,飛控計(jì)算機(jī)的基本程序框架、硬件輸入/輸出接口程序、系統(tǒng)中斷服務(wù)程序、飛機(jī)舵機(jī)驅(qū)動程序、人工飛行控制律程序框架、典型自動飛行控制程序框架均為學(xué)員提前開發(fā)測試好；

(5) 連接并檢查線纜,啟動半物理仿真系統(tǒng),機(jī)載導(dǎo)航飛控計(jì)算機(jī)電源接通,舵機(jī)電源接通,小型三軸運(yùn)動控制機(jī)構(gòu)電源上電；

(6) 采用Matlab Simulink以xPC Target的模式,將編譯好的非線性模型通過8259網(wǎng)卡或232串口下載至工控機(jī)中,實(shí)現(xiàn)實(shí)時運(yùn)行和解算；

(7) 導(dǎo)航飛控硬件根據(jù)駕駛桿操縱指令、反饋通道的飛行狀態(tài)信息進(jìn)行控制律解算,并將舵面指令輸出發(fā)送至工控機(jī)和飛機(jī)模型,實(shí)現(xiàn)飛機(jī)舵面偏轉(zhuǎn)；

(8) 工控機(jī)每一周期解算輸出飛機(jī)狀態(tài)數(shù)據(jù)將通過UDP通信模式回傳至工作站中的顯示與控制軟件中,利用三維視景、動態(tài)儀表方式實(shí)現(xiàn)對飛機(jī)狀態(tài)的監(jiān)測和顯示。

3 實(shí)驗(yàn)設(shè)備教學(xué)應(yīng)用

3.1 教學(xué)實(shí)踐

飛行控制綜合實(shí)驗(yàn)設(shè)備經(jīng)過不斷改進(jìn)、升級和優(yōu)化,目前已作為實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)備投入使用,并已經(jīng)在多個高校展開推廣應(yīng)用,該設(shè)備實(shí)物圖、三維視景仿真軟件主界面及實(shí)驗(yàn)室效果圖如圖3—圖5所示。

圖3 飛行控制綜合實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)實(shí)物圖

圖4 三維視景仿真軟件主界面

圖5 飛行控制綜合實(shí)驗(yàn)室效果圖

飛行控制綜合實(shí)驗(yàn)課程涉及飛機(jī)總體、空氣動力學(xué)、飛行力學(xué)、電機(jī)電氣,以及導(dǎo)航制導(dǎo)與控制等學(xué)科知識,具有基礎(chǔ)性、系統(tǒng)性、開放性、實(shí)踐性、創(chuàng)新性5大特色。該實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)主要使用對象包括自動化專業(yè)、飛行控制專業(yè)以及飛行器設(shè)計(jì)專業(yè)的本科生、研究生?？砷_展的典型飛行控制實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目見表1。

表1 典型飛行控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目

表1(續(xù))

飛行控制綜合實(shí)驗(yàn)課程以先進(jìn)布局飛行器為控制對象,通過計(jì)算機(jī)模擬飛行、半物理實(shí)時仿真、真實(shí)遙控操作/自動駕駛飛行等豐富的實(shí)踐內(nèi)容,充分將相關(guān)基礎(chǔ)知識、系統(tǒng)專業(yè)知識與實(shí)踐操作相結(jié)合,最大限度地促使學(xué)生理解現(xiàn)代飛機(jī)/無人機(jī)的系統(tǒng)組成、掌握飛機(jī)自動控制的設(shè)計(jì)原理等,增強(qiáng)學(xué)生的實(shí)踐能力,培養(yǎng)和提高學(xué)生的創(chuàng)新意識,實(shí)現(xiàn)學(xué)生綜合素質(zhì)提升。

3.2 教學(xué)反饋

逼真的被控對象和三維視景仿真環(huán)境極大地激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)的熱情和動力,實(shí)實(shí)在在的飛機(jī)、舵機(jī)、發(fā)動機(jī)、導(dǎo)航飛控硬件(接口開放)等儀器設(shè)備為學(xué)生提供了探究式學(xué)習(xí)平臺,可以明顯培養(yǎng)并提高學(xué)生工程實(shí)踐意識和解決實(shí)際問題的能力。飛機(jī)本身就是極為復(fù)雜的一個系統(tǒng),借助于本綜合實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),通過多層次、分階段的實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目，循序漸進(jìn)培養(yǎng)學(xué)生對飛行控制系統(tǒng)的認(rèn)知、分析、設(shè)計(jì)和綜合系統(tǒng)測試的能力。同時,通過學(xué)生主動反饋、教師積極完善相關(guān)實(shí)驗(yàn)設(shè)備和實(shí)驗(yàn)內(nèi)容,進(jìn)一步優(yōu)化實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法,探索教學(xué)改革途徑,提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)水平和質(zhì)量。

4 結(jié)語

以培養(yǎng)工程型、研究型人才的教學(xué)需求為指導(dǎo),自主研發(fā)了基于STM32 Cortex-M4微處理器的飛控系統(tǒng)綜合實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),并成功應(yīng)用于國內(nèi)諸多航空院校的飛行控制實(shí)驗(yàn)教學(xué)中,獲得了良好的實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果,培養(yǎng)和提高了學(xué)生的實(shí)踐能力和創(chuàng)新意識。飛行控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)設(shè)備的研制及應(yīng)用,有助于實(shí)施開放性綜合實(shí)驗(yàn)教學(xué)與實(shí)踐,豐富和拓展實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源,為“飛行動力學(xué)與飛行控制”核心課程以及“雙一流”建設(shè)提供了有力支撐。