無(wú)人直升機(jī)飛控半物理仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)

文/黃賢開

飛行控制技術(shù)在航空航天航海等軍事領(lǐng)域中起著至關(guān)重要的作用。為了研究飛行控制的新方法、新概念和新技術(shù),需要提供一個(gè)實(shí)時(shí)仿真環(huán)境來(lái)對(duì)這些新方法、新概念、新技術(shù)進(jìn)行評(píng)價(jià)和仿真驗(yàn)證。美國(guó)的普林斯頓大學(xué)、MIT 等院校建有先進(jìn)水平的飛行控制實(shí)時(shí)仿真實(shí)驗(yàn)室，承擔(dān)教學(xué)工作，也承接軍方的大量研究工作，進(jìn)行新方法研究與驗(yàn)證。我國(guó)某些院校為了教學(xué)和科研的需要，也相繼建設(shè)了飛行控制仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。

仿真系統(tǒng)根據(jù)所采用的模型劃分，可以將其分為數(shù)學(xué)仿真和實(shí)物仿真兩大類。在數(shù)學(xué)仿真中，幾乎系統(tǒng)內(nèi)的所有部件全部采用數(shù)學(xué)模型；實(shí)物仿真分為全實(shí)物和半實(shí)物仿真，是將系統(tǒng)實(shí)物全部或部分地引入仿真回路。實(shí)物仿真較之?dāng)?shù)學(xué)仿真能更全面的反映實(shí)際工程情況，和實(shí)際系統(tǒng)更加貼近，因此實(shí)物仿真在現(xiàn)實(shí)生活中的應(yīng)用十分廣泛。由于現(xiàn)實(shí)條件的約束，實(shí)際應(yīng)用中一般采用部分模型、部分實(shí)物的仿真，稱之為半實(shí)物仿真，也叫半物理仿真。在本課題的研究中，設(shè)計(jì)的就是半物理仿真，將無(wú)人直升機(jī)模型加載到仿真系統(tǒng)中，而飛控計(jì)算機(jī)、姿態(tài)陀螺、角速率陀螺等采用實(shí)物，從而比較全面地對(duì)飛行控制律以及飛控參數(shù)進(jìn)行仿真測(cè)試。

1 半物理仿真系統(tǒng)的組成

半物理仿真系統(tǒng)可以分為三個(gè)部分：主仿真系統(tǒng)、飛控系統(tǒng)以及轉(zhuǎn)臺(tái)，如圖1所示。主仿真系統(tǒng)是本課題的主要工作部分，轉(zhuǎn)臺(tái)系統(tǒng)接收到主仿真系統(tǒng)(實(shí)際為無(wú)人直升機(jī)模型)發(fā)送過(guò)來(lái)的姿態(tài)信號(hào)，再將實(shí)際陀螺采集的姿態(tài)信號(hào)發(fā)送給飛控計(jì)算機(jī)進(jìn)行解算。主仿真系統(tǒng)通過(guò)總線將各種飛控計(jì)算機(jī)所需的信號(hào)發(fā)送至飛控計(jì)算機(jī)進(jìn)行循環(huán)運(yùn)算。

2 半物理仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 半物理仿真系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

主仿真系統(tǒng)(包括仿真計(jì)算機(jī)硬件和仿真系統(tǒng)軟件)主要是用來(lái)對(duì)部分傳感器(如大氣計(jì)算機(jī)、GPS、無(wú)線電高度等)進(jìn)行仿真和無(wú)人直升機(jī)模型的嵌入，仿真計(jì)算機(jī)是需要對(duì)這些傳感器進(jìn)行模擬，因此對(duì)于正確性、可靠性、實(shí)時(shí)性等要求較高?；贗ntel x86處理器的嵌入式PC104系統(tǒng)成本不高，功能模塊豐富，且集成度高，操作系統(tǒng)的選擇余地大，支持嵌入式控制領(lǐng)域十分流行的DOS操縱系統(tǒng)。另外其可靠性高，響應(yīng)速度快，抗干擾性能力強(qiáng)。因而為了對(duì)飛控系統(tǒng)進(jìn)行較為全面的仿真驗(yàn)證，仿真計(jì)算機(jī)選擇嵌入式PC104的仿真計(jì)算機(jī)(插拔式)，其板卡主要包括電源板、CPU板、串口板、DA板以及AD板。主要配置如下：

（1）電源板：提供的+5V和±12V用于總線供電，±15V用于模擬信號(hào)變換，27V用于離散輸入/輸出信號(hào)變換；

（2）CPU板：兩路標(biāo)準(zhǔn)DB9接口、1路標(biāo)準(zhǔn)顯示器接口、4路標(biāo)準(zhǔn)USB接口（1路用于鍵盤，1路用于鼠標(biāo)，2路用戶使用），4路標(biāo)準(zhǔn)RJ45網(wǎng)絡(luò)接口；

（3）串口板：采用PC104總線SEMMSP-12模塊，共12路串口，其中8路為RS232/RS422/RS485/TTL跳線選擇，2路固定為RS232，2路跳線選擇為RS422/RS485；

（4）DA板：采用PC104總線ADT300模塊，共有16路D/A（±15V）、24路DIO；

（5）AD板：采用PC104總線ADT882-AT模塊，該模塊共有16路A/D（±10V）、24路DIO。

2.2 半物理仿真系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

仿真系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要包括仿真系統(tǒng)軟件的實(shí)現(xiàn)以及無(wú)人直升機(jī)模型的嵌入。其開發(fā)環(huán)境主要包括：

（1）支持ANSI C標(biāo)準(zhǔn)的VC6.0集成開發(fā)環(huán)境；

（2）嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)RTOS，安裝在開發(fā)環(huán)境所在的宿主機(jī)上；

（3）交互式開發(fā)環(huán)境，應(yīng)用程序在Windows環(huán)境下開發(fā)后可以通過(guò)超級(jí)終端從宿主機(jī)加載到目標(biāo)機(jī)進(jìn)行調(diào)試運(yùn)行。

2.2.1 半物理仿真系統(tǒng)軟件架構(gòu)

仿真系統(tǒng)軟件是仿真功能的具體實(shí)現(xiàn)，在無(wú)人直升機(jī)仿真系統(tǒng)中處于核心地位。因此在仿真系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)過(guò)程中，仿真系統(tǒng)軟件的架構(gòu)設(shè)計(jì)顯得尤為重要，通常遵循模塊化的設(shè)計(jì)思想，并按照數(shù)據(jù)流的方式將硬件設(shè)備、接口、仿真等分解為不同的模塊和處理層次，具體的仿真系統(tǒng)軟件架構(gòu)如圖2所示。

圖1：半物理仿真系統(tǒng)的組成

圖2：仿真軟件架構(gòu)圖

圖3：仿真軟件任務(wù)模塊實(shí)現(xiàn)圖

圖4：典型航線

（1）底層：實(shí)現(xiàn)硬件的接口驅(qū)動(dòng)。包括CPU板卡驅(qū)動(dòng)、AD/DA板卡驅(qū)動(dòng)、串口板卡驅(qū)動(dòng)以及其它信號(hào)接口驅(qū)動(dòng)程序的軟件開發(fā)；

（2）中間層：為應(yīng)用層提供操作系統(tǒng)接口和設(shè)備信號(hào)接口。包括實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)模塊、模型模塊、公共模塊、信號(hào)接口模塊、傳感器接口模塊、執(zhí)行機(jī)構(gòu)接口模塊以及其它設(shè)備模塊等；

（3）應(yīng)用層：實(shí)現(xiàn)無(wú)人直升機(jī)的各種飛行功能的仿真以及飛控計(jì)算機(jī)的測(cè)試。

本文以無(wú)人直升機(jī)典型航線飛行及故障模擬為例對(duì)仿真系統(tǒng)的可行性以及可靠性進(jìn)行驗(yàn)證。

圖5：仿真結(jié)果

圖6：典型航線飛行高度變化

圖7：典型航線飛行下航向變化

圖8：典型航線飛行空速變化

2.2.2 半物理仿真系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)

（1）仿真系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)。RTOS實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)創(chuàng)建任務(wù)的模式如表3所示。

1.配置任務(wù)：定義任務(wù)所需要的參數(shù)以及與其他任務(wù)之間的接口；

2.創(chuàng)建任務(wù)：創(chuàng)建所需任務(wù)，并對(duì)相關(guān)參數(shù)初始化處理；

3.實(shí)現(xiàn)任務(wù)：任務(wù)的主體部分，具體實(shí)現(xiàn)任務(wù)的作用，比如輸入/輸出、功能轉(zhuǎn)換、模型迭代以及傳感器模擬等。

（2）無(wú)人直升機(jī)模型實(shí)現(xiàn)。無(wú)人直升機(jī)模型實(shí)現(xiàn)分為兩個(gè)部分，其中第一部分為“模型”工程，所有的核心數(shù)學(xué)運(yùn)算以及函數(shù)編譯都在此工程中完成；第二部分為生成靜態(tài)庫(kù)依附于主工程，仿真任務(wù)在此工程中實(shí)現(xiàn)。

其中第一部分是通過(guò)大眾所熟知的龍格庫(kù)塔四迭代法創(chuàng)建無(wú)人直升機(jī)的狀態(tài)空間數(shù)值模型，生成一個(gè)LIB靜態(tài)庫(kù)文件，這個(gè)文件中包括模型的所有必要功能和參數(shù)，這樣，在仿真軟件實(shí)現(xiàn)的過(guò)程中，只要調(diào)用此文件即可，從而完成無(wú)人直升機(jī)模型的嵌入。

2.3 仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果

此半物理仿真系統(tǒng)已對(duì)飛控功能進(jìn)行多次仿真驗(yàn)證，在此僅以典型的航線飛行為示例進(jìn)行說(shuō)明，此仿真驗(yàn)證包括的功能有：自動(dòng)起降、爬升/下滑、協(xié)調(diào)轉(zhuǎn)彎、平飛以及返航。如圖4所示為仿真驗(yàn)證的典型航線，仿真結(jié)果如圖5所示。

從圖6、7、8可以看出，飛機(jī)進(jìn)行航線飛行的過(guò)程中，飛機(jī)的真實(shí)航向與航線設(shè)定的航向基本一致，設(shè)計(jì)的半物理仿真系統(tǒng)能夠滿足控制律設(shè)計(jì)的要求。

3 結(jié)論

此半物理仿真系統(tǒng)已在某型無(wú)人直升機(jī)飛控系統(tǒng)研制的過(guò)程中投入使用，具有實(shí)際的應(yīng)用意義，仿真結(jié)果經(jīng)過(guò)分析滿足飛行品質(zhì)技術(shù)指標(biāo)要求，半物理仿真結(jié)果可真實(shí)可靠的反映無(wú)人直升機(jī)的飛行過(guò)程，可以通過(guò)此半物理仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)對(duì)無(wú)人直升機(jī)飛行控制律進(jìn)行全面測(cè)試及驗(yàn)證。