一种小型无人机半物理仿真系统实现

方程和运动学方程组成的十二阶微分方程 [3 ] :
·
·
·
·
V = (Vx Vx + Vy V y + V z V z ) /V
·
·
α=
(VxVy
+ Vx
Vy )
பைடு நூலகம்
/
(V
2 x
+ V2y )
β· =
·
(VzV
-
·
VzV )
/ (V2 co sβ)
∑ ω x
=[
M x - ( Iz - Iy )ωyωz - Ixyωzωx ] / Ix
三轴转台通过接收无人机模型计算机解算的姿态信息 , 由驱动板卡驱动后 ,在实验室条件下模拟无人机在空中做三 自由度转动 ,同时通过安装在其上面的姿态传感器进行感 知 ,向飞行控制器提供姿态信号 。主要用以验证传感器的实 际性能 。
GPS模拟系统针对半物理仿真无法获得实时动态 GPS 信息的问题 ,根据 GPS组帧格式 ,依据导航航程推算得出的 位置信息 ,加上适当的误差 ,按照每秒一帧的频率向导航系 统输入经纬度 、高度 ,地速等主要信息 ,以标准 NM EA 格式组 帧并发送 。主要用以验证导航系统的 GPS导航及航程自主 推算功能 。
综合显示系统通过一台便携式电脑作为显示终端 ,采用 VC + + 610作为主要开发工具 ,基于 Vega软件平台 ,开发了 三维视景仿真系统 ,用以实时显示飞机模型计算机解算出来 的状态量及可视化的飞行状态 ,并及时存储相应数据 。
整个系统的硬件结构中模型计算机与大气模拟 、三轴转 台 、GPS模拟 、综合显示各子系统间采用 100M 的高速以太网 连接 ,使用 TCP / IP协议 ,以消息机制方式进行通讯 。确保了 仿真的实时性 ,加之有效的软件界面开发 ,使得系统具备了 结构紧凑 、界面友好 、操作简便 、实时性强一系列特点 。
-
γ g
)
当
γ c
>γg 时
-
(
360
°-
γ g
+
γ c
)
当
γ c
>γg 时
通过以上四种情况的讨论 ,就可以准确判定出无人机的
偏转方向和偏转角度 , 达到精确的航向控制 , 且已通过仿真
验证 。
3. 2 飞机模型计算机
飞机模型计算机将数字仿真建立的模型适当移植后进
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1 引言
飞行控制系统是小型无人机安全飞行 、有效完成任务的 重要保证 ,为确保控制软件的可靠性 ,需要建立相应仿真系 统对其进行验证 。
目前无人机飞行控制仿真主要包括数字仿真和半物理 仿真 。半物理仿真将系统部分实物引入仿真回路 ,尽可能真 实模拟现场情况 ,较数字仿真更能有效验证飞行控制系统的 可靠性 ,尤其在初期试飞调参及后期控制策略改进阶段 ,应 用广泛 [1 ] 。
第 25卷 第 6期 文章编号 : 1006 - 9348 ( 2008) 06 - 0066 - 04
计 算 机 仿 真
2008年 6月
一种小型无人机半物理仿真系统实现
辛国柏 ,卢京潮 ,闫建国 ,屈耀红
(西北工业大学自动化学院 ,陕西 西安 710072)
摘要 :为满足初期试飞阶段控制律参数调节及后期改进阶段控制策略优化的需要 ,以某新型无人机为应用背景 ,提出了一种 小型无人机半物理仿真系统方案 。详细设计了系统基于 PC机与局域网 (LAN )的硬件结构及模块化的软件流程 ,并实现了 基于四阶龙格 - 库塔算法的无人机模型移植及基于向量积方法的航向稳定控制 。按照测试目的 ,设计了相应的半物理仿真 试验 ,仿真结果表明 ,能较全面地验证飞行控制软件的可靠性 ,结构紧凑 、操作简便 、实时性强 。 关键词 :无人机 ; 半物理仿真 ; 数字仿真 ; 模型移植 ; 航向控制 中图分类号 : V279; V24911 文献标识码 : A
趋于零 ,而且在航向偏转过程中要求飞机能够以最小角度达
到给定值 。但在实际软件编写过程中 , 考虑到航向角 0 ～
360°变化氛围 ,直接对给定航向角和测量航向角求差 , 会存
在偏差较大情形
(Δ =γg
-
γ c
= 5°-
348°=
-
343°) 。
图 2 基于向量积的航向控制方法
针对以上情况 , 提出一种基于向量积的航向控制方法 。
= cosγc ·sinγg
-
sin
γ c
·co
sγg
,
则有以下几种偏
转情形 (Δ为偏转角度 )
1) M > 0,γc →γg 要进行逆时针旋转 ,
Δ=
γ g
-
γ c
当
γ g
>γc 时
360
°-
γ c
+
γ g
当
γ g
>γc 时
2) M < 0,γc →γg 要进行顺时针旋转 ,
Δ=
-
(γc
值得一提的是 ,为充分模拟实际飞行状态 ,将手摇控制 模态 (控制动作由遥控器调制后通过 RC接收机直接控制无 人机飞行 )引入到仿真系统中来 ,区别于地面站作用下的手 动控制和程序自主控制 ,手摇控制可有效保证起飞和降落过 程中的安全性能 ,这是同类半物理仿真系统未曾提及的 。
3 系统软件设计
3. 1 飞行控制器 飞行控制器担负着数据采集 、控制律计算 ,故障检测等
地面站由地面飞控站和地面导航站两个部分组成 ,用两 台便携式电脑分别实现 ,地面飞控站是系统服务端 ,完成遥 测数据的实时采集分析 、遥控指令的定时发送 ;地面导航站 是系统客户端 ,实现在电子地图上航迹显示 、航迹规划 、及数 据保存 、航拍图像回放 。两者通过高速以太网通讯连接 。
飞行 控 制 器 是 整 个 仿 真 验 证 的 核 心 , 硬 件 采 用 TM S32OF28xx型 DSP为主要处理部件 。 F28xxDSP外围设备 丰富 ,包括 16路 12位 AD、多种串口外围设备及丰富的片上 资源 ,完全满足飞行控制系统要求 。
重要任务 ,决定着飞行稳定和安全 。内部控制程序主要包括
导航和飞控两个模块 : 导航模块主要是完成与地面站的通
讯 。一方面导航 CPU将接收到的地面站信息解码 、滤波 ,通
过数据交换存储区向飞控模块传送控制指令 ;另一方面 ,将
飞控模块传递过来的实时飞行姿态信息编码下发给地面站 。
飞控模块主要完成整个飞行过程的控制 。一方面飞控 CPU
通过向量积判断飞机旋转方向及转动角度大小 ,假设给定航
向角为单位向量γc ,测量航向角为单位向量γg , y轴指向正北
方向 ,左偏航为正 。
γ c
×γg
= ‖γc ‖·‖γg ‖·sin (γg
-
γ c
)
·k
sin (γg
-
γ c
)
= co sγc ·sinγg -
sinγc ·co sγg
令 M
速率 、俯仰角 、滚转角 、偏航角 、纵向位移 、高度 、侧向位移 ; 控
制量 u = [δx ,δy ,δz ,δp ]分别表示副翼偏角 、方向舵偏角 、升降
舵偏角 、发动机油门推力 [2 ] 。
数字仿真中 ,基于空气动力学和飞行动力学原理 , 建立
了 S 函数形式的无人机数学模型 ,其核心为由无人机动力学
无人机模型计算机内部装载移植后的无人机计算机模 型 , 硬 件 采 用 高 可 靠 性 的 PC104 计 算 机 EVOC104 1621CLDN ,其功能模块丰富 ,集成了 1个 10M /100M bp s自适
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ABSTRACT: In order to meet the requirements of control parameter adjustment and control strategy op tim ization, a sem i - physical simulation system based on a new type Unmanned Aerial Vehicle is p resented. The hardware con2 struction is based on personal computer( PC) and local area network (LAN ) , modularized software flowchart are de2 signed in detail, then the UAV model is transp lanted successfully, and the direction stabilized control is realized p re2 cisely. The results of the simulation show that the system can validate the reliability of the flight control software roundly and has compact structure, convenient manipulation, and high real - time capability. KEYWO RD S: UAV; Sem i - physical simulation; D igital simulation; Model transp lant; D irection control
在定时中断里读取导航控制指令 ,采集姿态数据 ,滤波处理
后参与控制律计算 ,并向舵机输出 PWM 信号 ,完成对飞机稳
定与控制 ;另一方面 ,将姿态信息通过公共数据存储区传递
给导航模块 。
在无人机飞行控制中 ,航向控制极为重要 。尤其在作盘
旋 、压航线 、按规划航迹飞行时需要进行精确控制 。按照数
字仿真中设计的控制律 ,控制给定航向角与测量航向角偏差
行下载 ,模拟实际飞机的飞行 , 解算出反映飞机飞行的姿态
信息 ,是整个半物理仿真实现的重点和难点 。
1) 模型移植
小型无人机属于六自由度运动体 , 非线性数学模型可采
用
x = f ( x,
t, u)来描述 :状态量
x
=
[
V
,
α,
β,ωx
,
ω y
,
ω z
,
; ,γ,
ψ, xd , yd , zd ]分别表示空速 、迎角 、侧滑角 、滚转 /偏航 /俯仰角
本文基于高速以太网搭建了半物理仿真系统硬件平台 , 尤其把确保起飞及着陆阶段无人机飞行安全的手摇控制模 态引入仿真回路 ;基于模块化思想对系统各环节的软件进行 详细设计 ,提出了较为实用的航向稳定控制策略和无人机模 型移植方法 ;针对实际飞行 ,设计了具体的飞行剖面 ,对各种 控制模态进行仿真 ,最后给出系统的仿真结果 。
图 1 半物理仿真硬件平台
应以太网络控制器 , 支持 VxW orks强实时嵌入式操作系统 , 抗干扰性能力强 。
大气模拟系统由控制器 、气压泵 、气压阀门 、储压装置 、 高精度气压传感器组成 。设定一定压力 ,计算机通过 D /A 输出控制信号 , 打开压力阀门向与空速 、高度传感器相连的 储压装置冲气 , 由压力传感器测得压力值经过 A /D 采集与 给定压力相比较形成闭环反馈精确控制 。系统控制器选用 一台研华 610型工控机 ,配置 10 /100M b快速以太网卡 。主 要用于向飞行控制器高度空速传感器提供一定的压力 ,以模 拟飞行过程中的高度和空速 。
收稿日期 : 2007 - 05 - 31 修回日期 : 2007 - 06 - 19
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2 系统硬件结构
根据仿真测试目的 ,搭建图 1 所示半物理仿真硬件平 台 ,主要由地面站 、飞行控制器 、执行机构 (舵机 ) 、无人机模 型计算机 、大气模拟系统 、三轴转台 、GPS模拟系统 、综合显 示系统及相应机载传感器等组成 。
Rea liza tion of Sem i - physica l S im ula tion System for Sma ll UAV
X IN Guo - bai, LU J ing - chao, YAN J ian - guo, QU Yao - hong
(College of Automation, Northwestern Polytechnical University, Xiπan Shanxi 710072, China)