无人机飞行控制系统模拟器设计
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由设计原理图可知，飞行控制系统模拟器外部接口较多， 内部功能实现较为复杂，系统实时性强，整个系统对硬件及软 件的设计均有较高的要求。经过研究论证，系统构成思路为：
遥控遥地面检着陆架液压电源前轮转
善
收稿且期：２００５—０７—１４；修回目期：２００５一０８—２７。 作者简介：欧干良（１９７６一），男，湖北黄冈人，硕士研究生，主要从事 计算机测试与控制方向的研究。
在无人机的开发过程中，飞行控制系统需要反复设计、改 进与优化，才能达到预期目标。另外，无人机系统需要多次联 机调试才能验证其整体功能，在联试过程中，一旦飞行控制系 统出现故障，就会使全机联试工作中断，影响研制进度。因 此，我们设计了一种基于工业控制计算机的无人机飞行控制系 统模拟器，不仅能够真实模拟飞行控制系统的所有功能、动态 特性、输入输出信号及电气物理特性，还能通过实时仿真模拟 无人机的动态飞行，从而满足飞行控制系统设计与验证要求， 可在全机系统联试中代替真实飞行控制系统，极大的提高了研 发效率。
１ 设计原理
飞行控制系统模拟器的主要功能就是在特定条件下等效真 实飞行控制系统，而无人机飞行控制系统以飞行控制计算机为 核心，与各种传感器及执行结构共同构成闭环控制系统，并且
与其它子系统之间存在复杂的接口关系［３］。飞行控制系统模拟 器要达到模拟飞行控制系统的目的，必须在总体功能上涵盖这 几大部分。在对飞行控制系统的设计验证以及支持无人机的系 统联试中，要求模拟器系统不仅能够完成飞行控制系统功能， 还要能够连续不断地实时模拟飞机的位置、姿态、速度、加速 度以及飞行环境参数，并复现在飞行控制系统作用下控制舵面 的偏转和飞机的响应，从而可以模拟、验证各种状态下的飞行 控制功能。由于传感器理论输出信号可根据无人机动力学和运 动学模型的输出解算出来，为此考虑引进飞机模型，使飞行控 制系统与飞机模型构成全数字闭合回路，这样既能仿真无人机 的实时飞行，又简化了传感器和执行机构的模拟。根据以上设 计思想，飞行控制系统模拟器构成原理如图１所示。
图２模拟器硬件结构图
（１）工业控制计算机：除选择高性能、数据处理能力强的 ＣＰＵ外，总线结构也是要考虑的因素。由于计算机与外设通 信处理数据量较大，因此选择的接口板卡全部为ＰＣＩ总线结 构。系统中工控机需要实时计算无人机飞行特性数学模型，实 时解算传感器输出信息，进行飞行控制律解算，从而完成无人 机内、外回路的控制、制导与导航，模拟飞行控制计算机的各 种功能。
众所周知，Ｗｉｎｄｏｗｓ系统以其界面友好、美观、易操作 性，吸引着广大用户。因此，这里在Ｗｉｎｄｏｗｓ２０００操作系统 下，以Ｖｉｓｕａｌ Ｃ＋＋６．０为开发工具进行系统软件开发。Ｖｉｓｕ－ ａｌ Ｃ＋＋６．０是迄今为止最成功的Ｗｉｎｄｏｗｓ下的Ｃ＋＋开发平 台之一，集成了微软基础类库（ＭＦＣ），具有良好封装性、继 承性、多态性［４］。系统开发中，充分利用了ＶＣ中所提供的大 量窗口、控件类及其相应的操作与属性，通过ＡｐｐＷｉｚａｒｄ、 ＣｌａｓｓＷｉｚａｒｄ等可视化向导来自动生成所需要的程序框架和其 他一些程序元素，提高了编程效率。本系统软件要实现的功能 比较复杂，为了提高系统的可维护性、可扩展性，采用模块化 设计思想曲］。根据实现功能软件划分为以下几大模块：
第３期
欧于良，等：无人机飞行控制系统模拟器设计
· ３４ｌ ·
态，用户可以根据需要选择飞行控制阶段和显示各种数据页 面，进行实事控制和监视。
以上各模块是系统功能实现的重要组成部分，但各模块问 不是独立的，而是存在着复杂的联系，有着复杂的数据调用。 它们的数据交互关系如图３所示。
在软件编程中用到了几个数学算法，列举如下： （１）龙格一库塔法（Ｒｕｎｇｅ—Ｋｕｔｔｅ）：四阶龙格一库塔公 式是离线仿真中常用的微分方程算法，本程序在函数ｒｋ４（） 中实现，用于解算飞机１２阶微分方程，形成飞行状态值。该 仿真算法的函数如下： ｄｏｕｂｌｅ＊ＣＦｌｙ：：ｒｋ４（ｄｏｕｂｌｅ ｔ，ｄｏｕｂｌｅ＊ｘ，ｄｏｕｂｌｅ＊Ｕ， ｄｏｕｂｌｅ ｄｔ）／／入口参数：ｔ当前时间；ｘ当前状态值；ｕ当前控 制量；ｄｔ步长／／出口参数：１２个独立状态值
（４）ＰＣＩ一７４３２卡：完成开关量输入／输出，输入／输出通 道各有３２路；输入电压为０～２４ＶＤＣ，其中逻辑“高”为３－－ ２４Ｖ，逻辑“低”为０～２．４Ｖ；输出电压最低５Ｖ，最高可达
３５Ｖ。
（５）Ｃ２１８Ｔｕｒｂｏ卡：完成串行通信功能；内置ＲＩＳＣ— ｂａｓｅｄ处理器，可减少主机ＣＰＵ负担；提供大量的Ｉ／０内存； ８个串口可同时传输数据传输速率快，速度可达２３０．４Ｋｂｐｓ。
关键诃：无人机；工控机；飞行控制系统；实时仿真；模拟器
Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ Ｆｌｉｇｈｔ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｓｙｓｔｅｍ Ｓｉｍｕｌａｔｏｒ ｆｏｒ Ｕｎｍａｎｎｅｄ Ａｅｒｉａｌ Ｖｅｈｉｃｌｅ
０Ｕ Ｇａｎｌｉａｎｇ，Ｃｈｅｎ Ｘｉｎ （Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｎａｎｊｉｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ａｅｒｏｎａｕｔｉｃｓ ａｎｄ Ａｓｔｒｏｎａｕｔｉｃｓ，Ｎａｎｊｉｎｇ ２１００１６，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａ ｆｌｉｇｈｔ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ ｓｉｍｕｌａｔｏｒ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ ｐｅｒｓｏｎａｌ ｃｏｍｐｕｔｅｒ（ＩＰＣ）ｆｏｒ ｕｎｍａｎｎｅｄ ａｅｒｉａｌ ｖｅｈｉｃｌｅ（ＵＡＶ）ｉｓ ｐｕｔ ｆｏｒ— ｗａｒｄ．Ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ｏｆ ｔｈｉｓ ｓｙｓｔｅｍ ｉｓ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ ｉｎ ｄｅｔａｉｌ，ａｎｄ ｔｈｅ ｓｃｈｅｍｅ ｏｆ ｈａｒｄｗａｒｅ ｒｅａｌｉｚａｔｉｏｎ ｉｓ ｓｈｏｗｅｄ，ｔｈｅ ｍｏｄｕｌｅ ｆｕｎｃｔｉｏｎｓ ａｎｄ ｆｌｏｗｃｈａｒｔ ｏｆ ｓｏｆｔｗａｒｅ ａｒｅ ａｌｓｏ ｇｉｖｅｎ，ｔｈｅ ｔｅｓｔ ｒｅｓｕｌｔ ｉｓ ａｎａｌｙｚｅｄ ｉｎ ｔｈｅ ｅｎｄ．Ｕｓｉｎｇ ｃｏｍｐｕｔｅｒ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ，ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ ｃｏｎｔｒｏｌ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ，ｓｙｓｔｅｍ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ ａｎｄ ｏｂｊｅｃｔ ｏｒｉｅｎｔｅｄ ｐｒｏｇｒａｍｍｉｎｇ（ＯＯＰ）ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ，ｔｈｉｓ ｓｉｍｕｌａｔｏｒ ｉｓ ｖｅｒｓａｔｉｌｅ ｗｉｔｈ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｐｏｗｅｒｆｕｌ ｆｕｎｃｔｉｏｎ， ｆｒｉｅｎｄｌｙ ｉｎｔｅｒｆａｃｅ ａｎｄ ｃｏｎｖｅｎｉｅｎｔ ｏｐｅｒａｔｉｏｎ．Ｉｔ ｃａｎ ｂｅ ｕｓｅｄ ｆｏｒ ｓｙｓｔｅｍ ｅａｒｌｙ ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ ｖｅｒｉｆｉｃａｔｉｏｎ，ｏｒ ｆｏｒ ｔｈｅ ｌａｔｅｒ ｔｅｓｔ ａｎｄ ｍａｉｎｔｅｎａｎｃｅ ｏｆ ＵＡＶ．Ｔｈｅ ａｃｔｕａｌ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｓｈｏｗｓ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｈａｓ ｇｏｏｄ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｓ ａｎｄ ｔｈｅ ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ ｏｆ ｒｅａｌ～ｔｉｍｅ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｔｉｏｎ ｕｓｅｄ ｆｏｒ ｒｅｐｌａｃｉｎｇ ｔｈｅ ｒｅａｌ ｆｌｉｇｈｔ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｕｎｍａｎｎｅｄ ａｅｒｉａｌ ｖｅｈｉｃｌｅ；ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ ｐｅｒｓｏｎａｌ ｃｏｍｐｕｔｅｒ；ｆｌｉｇｈｔ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ；ｒｅａｌ—ｔｉｍｅ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ；ｓｉｍｕｌａｔｏｒ
文章编号：１６７１—４５９８（ｚ００６１ ０３—０３３９—０４
中圈分类号：ＴＰ３３７；Ｖ２４９
文献标识褐：Ｂ
无人机飞行控制系统模拟器设计
欧干良，陈 欣
（南京航空航天大学自动化学院，江苏南京 ２１００１６）
摘要：提出了一种基于工业控制计算机开发的某型无人机飞行控制系统模拟器设计；详细介绍了系统设计原理，给出了硬件构成方 案、软件功能模块组成和程序流程图，最后分析了测试结果；该模拟器充分利用了当前计算机技术、自动控制技术、系统实时仿真技术 和面向对象编程技术，具有功能强大、界面友好、操作灵活的特点，可用于无人机系统先期设计验证或后期测试维护；实际使用情况表 明该系统性能良好，完全能够代替真实飞行控制系统进行实时仿真试验。
（２）ＰＣＩ一９１１４ Ａ／Ｄ卡：进行模拟信号采集，支持３２通 道单端或１６通道差动输入，分辨率１６位；最大±３５Ｖ的输入 电压保护；可编程增益，具有软件触发与定时器触发等多种触 发模式。
（３）ＰｃＩ一６２１６ Ａ／Ｄ卡：用于模拟信号输出，共有１６通 道模拟量输出，分辨率为１６位；输出范围为±ｌｏ Ｖ。
（３）输入／输出模块：与配置的各种输入／输出接口卡进行 结合，负责完成飞行控制功能模块与外围设备的数据交换，实 时接收外围设备的数据输入，数据格式变换；将相关数据转化 为相应格式，实时输出。
（４）定时模块：定时模块由定时器卡和定时软件共同作
图３软件模块数据交互关系图
ｃ枣嚣１酶辈＿ｌ啦测－壮 万壤ｅ辜ｔ方潮ｅ缸数据
（６）Ｐ１０一Ｄ６４卡：系统内部定时器，作为系统实时时钟， 具有６路定时器／计数器通道；另外板上具有４个时钟源，分 别为２Ｍ，１Ｍ，５００Ｋ和２５０Ｋ，用户可以从焊脚上引用时钟源。 本系统主要利用其定时中断功能。
（７）接口转换箱：集中了所有的硬件输入／输出通道，严 格按照真实飞行控制系统的接口要求，对各种信号统一分配， 并进行输入输出驱动、电气和物理转换，形成无人机系统所需 的标准接口。 ３ 软件设计
（４）串口信号５路，均为ＲＳ４２２接口，分别为飞行控制 系统与遥控遥测系统、地面检测系统、机载参数记录系统、电 气系统控制计算机和状态监控计算机的接口信号。根据信号的 种类、标准和数量，系统应分别配置相应的Ａ／Ｄ接口卡、Ｄ／ Ａ接口卡、ＤＩ／ＤＯ（开关量信号输入输出）接口卡，多串口 卡，以及用作系统定时功能的定时器卡。综合以上考虑，系统 硬件配置及结构如图２所示。其中各部分基本特性简介如下：
开始
ｉ
取当前状态剜
●
取当前控删
●
调用飞机方程 解算子０Ｅ程
●
存状态量ｌ
●
存控制量ｌ
眄如
图５ 飞机模型模块ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ程图
图６ 飞机方程解算子流程图
图４ 系统程序总体流程图
用，完成定时卡的初始化、定时间隔的设定、定时启动功能。 系统采用主循环加定时中断以及消息驱动机制，在中断内通过 软计数判断相应任务周期，发送相应消息，驱动相应模块工 作。
Ｏ 引言
无人机是一个复杂的综合系统，通常包括飞机机体、发动 机、飞行控制、遥控遥测、状态检测、起飞着陆以及电力电源 等子系统［１］。其中，飞行控制系统是无人机的核心系统，它采 用先进的实时飞行及任务管理、导航和飞行控制技术，在实现 无人机的整个飞行功能的同时，还负责监视和控制无人机的其 它子系统，指挥无人机完成预定的任务［２］。
（１）飞机模型模块：接收飞控功能模块输出的控制量信 号；对飞机空气动力特性进行仿真；解算飞机的六自由度非线 性全量运动方程；形成飞行控制系统模拟器其它模块所需的各 种数据；仿真飞机运动时各种力和力矩，并且进行大气环境对 飞行影响的模拟。
（２）飞行控制功能模块：这部分是系统控制的核心，程序 功能复杂。根据飞机模型的实时输出数据以及外围设备的输 入，实时进行模态管理、飞行控制律和制导律解算，并实时形 成外围设备所需的数据，完成飞行控制系统功能的模拟。
万方数据
图１设计原理图
书榘测攘ｊ网
ｅｈｇｎｏＪａｏ．缸辟垂．越
·３４０·
计算机测量与控制
第３期
系统硬件以工业控制计算机（ＩＰＣ）为核心平台，充分配置外 围扩展接口模块，与无人机其它真实子系统的电气物理接口相 连；系统软件建立在Ｗｉｎｄｏｗｓ ２０００操作系统平台上，以面向 对象编程的Ｖｉｓｕａｌ Ｃ＋＋６．０为开发工具进行软件设计。 ２硬件设计
飞行控制系统模拟器的输入输出信号主要是与无人机其它 子系统的接口信号，分析归纳如下：
（１）模拟量输入信号１７路，为刹车系统、液压系统、前 轮转弯系统和电源系统的状态或反馈信号；
（２）模拟量输出信号４路，为速度信号、左右机轮刹车指 令和前轮转弯系统指令信号；
（３）开关量信号４０路，其中输入２５路，输出１５路，为 液压系统、推进系统，着陆架系统和其它子系统的状态信号；
遥控遥地面检着陆架液压电源前轮转
善
收稿且期：２００５—０７—１４；修回目期：２００５一０８—２７。 作者简介：欧干良（１９７６一），男，湖北黄冈人，硕士研究生，主要从事 计算机测试与控制方向的研究。
在无人机的开发过程中，飞行控制系统需要反复设计、改 进与优化，才能达到预期目标。另外，无人机系统需要多次联 机调试才能验证其整体功能，在联试过程中，一旦飞行控制系 统出现故障，就会使全机联试工作中断，影响研制进度。因 此，我们设计了一种基于工业控制计算机的无人机飞行控制系 统模拟器，不仅能够真实模拟飞行控制系统的所有功能、动态 特性、输入输出信号及电气物理特性，还能通过实时仿真模拟 无人机的动态飞行，从而满足飞行控制系统设计与验证要求， 可在全机系统联试中代替真实飞行控制系统，极大的提高了研 发效率。
１ 设计原理
飞行控制系统模拟器的主要功能就是在特定条件下等效真 实飞行控制系统，而无人机飞行控制系统以飞行控制计算机为 核心，与各种传感器及执行结构共同构成闭环控制系统，并且
与其它子系统之间存在复杂的接口关系［３］。飞行控制系统模拟 器要达到模拟飞行控制系统的目的，必须在总体功能上涵盖这 几大部分。在对飞行控制系统的设计验证以及支持无人机的系 统联试中，要求模拟器系统不仅能够完成飞行控制系统功能， 还要能够连续不断地实时模拟飞机的位置、姿态、速度、加速 度以及飞行环境参数，并复现在飞行控制系统作用下控制舵面 的偏转和飞机的响应，从而可以模拟、验证各种状态下的飞行 控制功能。由于传感器理论输出信号可根据无人机动力学和运 动学模型的输出解算出来，为此考虑引进飞机模型，使飞行控 制系统与飞机模型构成全数字闭合回路，这样既能仿真无人机 的实时飞行，又简化了传感器和执行机构的模拟。根据以上设 计思想，飞行控制系统模拟器构成原理如图１所示。
图２模拟器硬件结构图
（１）工业控制计算机：除选择高性能、数据处理能力强的 ＣＰＵ外，总线结构也是要考虑的因素。由于计算机与外设通 信处理数据量较大，因此选择的接口板卡全部为ＰＣＩ总线结 构。系统中工控机需要实时计算无人机飞行特性数学模型，实 时解算传感器输出信息，进行飞行控制律解算，从而完成无人 机内、外回路的控制、制导与导航，模拟飞行控制计算机的各 种功能。
众所周知，Ｗｉｎｄｏｗｓ系统以其界面友好、美观、易操作 性，吸引着广大用户。因此，这里在Ｗｉｎｄｏｗｓ２０００操作系统 下，以Ｖｉｓｕａｌ Ｃ＋＋６．０为开发工具进行系统软件开发。Ｖｉｓｕ－ ａｌ Ｃ＋＋６．０是迄今为止最成功的Ｗｉｎｄｏｗｓ下的Ｃ＋＋开发平 台之一，集成了微软基础类库（ＭＦＣ），具有良好封装性、继 承性、多态性［４］。系统开发中，充分利用了ＶＣ中所提供的大 量窗口、控件类及其相应的操作与属性，通过ＡｐｐＷｉｚａｒｄ、 ＣｌａｓｓＷｉｚａｒｄ等可视化向导来自动生成所需要的程序框架和其 他一些程序元素，提高了编程效率。本系统软件要实现的功能 比较复杂，为了提高系统的可维护性、可扩展性，采用模块化 设计思想曲］。根据实现功能软件划分为以下几大模块：
第３期
欧于良，等：无人机飞行控制系统模拟器设计
· ３４ｌ ·
态，用户可以根据需要选择飞行控制阶段和显示各种数据页 面，进行实事控制和监视。
以上各模块是系统功能实现的重要组成部分，但各模块问 不是独立的，而是存在着复杂的联系，有着复杂的数据调用。 它们的数据交互关系如图３所示。
在软件编程中用到了几个数学算法，列举如下： （１）龙格一库塔法（Ｒｕｎｇｅ—Ｋｕｔｔｅ）：四阶龙格一库塔公 式是离线仿真中常用的微分方程算法，本程序在函数ｒｋ４（） 中实现，用于解算飞机１２阶微分方程，形成飞行状态值。该 仿真算法的函数如下： ｄｏｕｂｌｅ＊ＣＦｌｙ：：ｒｋ４（ｄｏｕｂｌｅ ｔ，ｄｏｕｂｌｅ＊ｘ，ｄｏｕｂｌｅ＊Ｕ， ｄｏｕｂｌｅ ｄｔ）／／入口参数：ｔ当前时间；ｘ当前状态值；ｕ当前控 制量；ｄｔ步长／／出口参数：１２个独立状态值
（４）ＰＣＩ一７４３２卡：完成开关量输入／输出，输入／输出通 道各有３２路；输入电压为０～２４ＶＤＣ，其中逻辑“高”为３－－ ２４Ｖ，逻辑“低”为０～２．４Ｖ；输出电压最低５Ｖ，最高可达
３５Ｖ。
（５）Ｃ２１８Ｔｕｒｂｏ卡：完成串行通信功能；内置ＲＩＳＣ— ｂａｓｅｄ处理器，可减少主机ＣＰＵ负担；提供大量的Ｉ／０内存； ８个串口可同时传输数据传输速率快，速度可达２３０．４Ｋｂｐｓ。
关键诃：无人机；工控机；飞行控制系统；实时仿真；模拟器
Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ Ｆｌｉｇｈｔ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｓｙｓｔｅｍ Ｓｉｍｕｌａｔｏｒ ｆｏｒ Ｕｎｍａｎｎｅｄ Ａｅｒｉａｌ Ｖｅｈｉｃｌｅ
０Ｕ Ｇａｎｌｉａｎｇ，Ｃｈｅｎ Ｘｉｎ （Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｎａｎｊｉｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ａｅｒｏｎａｕｔｉｃｓ ａｎｄ Ａｓｔｒｏｎａｕｔｉｃｓ，Ｎａｎｊｉｎｇ ２１００１６，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａ ｆｌｉｇｈｔ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ ｓｉｍｕｌａｔｏｒ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ ｐｅｒｓｏｎａｌ ｃｏｍｐｕｔｅｒ（ＩＰＣ）ｆｏｒ ｕｎｍａｎｎｅｄ ａｅｒｉａｌ ｖｅｈｉｃｌｅ（ＵＡＶ）ｉｓ ｐｕｔ ｆｏｒ— ｗａｒｄ．Ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ｏｆ ｔｈｉｓ ｓｙｓｔｅｍ ｉｓ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ ｉｎ ｄｅｔａｉｌ，ａｎｄ ｔｈｅ ｓｃｈｅｍｅ ｏｆ ｈａｒｄｗａｒｅ ｒｅａｌｉｚａｔｉｏｎ ｉｓ ｓｈｏｗｅｄ，ｔｈｅ ｍｏｄｕｌｅ ｆｕｎｃｔｉｏｎｓ ａｎｄ ｆｌｏｗｃｈａｒｔ ｏｆ ｓｏｆｔｗａｒｅ ａｒｅ ａｌｓｏ ｇｉｖｅｎ，ｔｈｅ ｔｅｓｔ ｒｅｓｕｌｔ ｉｓ ａｎａｌｙｚｅｄ ｉｎ ｔｈｅ ｅｎｄ．Ｕｓｉｎｇ ｃｏｍｐｕｔｅｒ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ，ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ ｃｏｎｔｒｏｌ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ，ｓｙｓｔｅｍ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ ａｎｄ ｏｂｊｅｃｔ ｏｒｉｅｎｔｅｄ ｐｒｏｇｒａｍｍｉｎｇ（ＯＯＰ）ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ，ｔｈｉｓ ｓｉｍｕｌａｔｏｒ ｉｓ ｖｅｒｓａｔｉｌｅ ｗｉｔｈ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｐｏｗｅｒｆｕｌ ｆｕｎｃｔｉｏｎ， ｆｒｉｅｎｄｌｙ ｉｎｔｅｒｆａｃｅ ａｎｄ ｃｏｎｖｅｎｉｅｎｔ ｏｐｅｒａｔｉｏｎ．Ｉｔ ｃａｎ ｂｅ ｕｓｅｄ ｆｏｒ ｓｙｓｔｅｍ ｅａｒｌｙ ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ ｖｅｒｉｆｉｃａｔｉｏｎ，ｏｒ ｆｏｒ ｔｈｅ ｌａｔｅｒ ｔｅｓｔ ａｎｄ ｍａｉｎｔｅｎａｎｃｅ ｏｆ ＵＡＶ．Ｔｈｅ ａｃｔｕａｌ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｓｈｏｗｓ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｈａｓ ｇｏｏｄ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｓ ａｎｄ ｔｈｅ ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ ｏｆ ｒｅａｌ～ｔｉｍｅ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｔｉｏｎ ｕｓｅｄ ｆｏｒ ｒｅｐｌａｃｉｎｇ ｔｈｅ ｒｅａｌ ｆｌｉｇｈｔ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｕｎｍａｎｎｅｄ ａｅｒｉａｌ ｖｅｈｉｃｌｅ；ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ ｐｅｒｓｏｎａｌ ｃｏｍｐｕｔｅｒ；ｆｌｉｇｈｔ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ；ｒｅａｌ—ｔｉｍｅ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ；ｓｉｍｕｌａｔｏｒ
文章编号：１６７１—４５９８（ｚ００６１ ０３—０３３９—０４
中圈分类号：ＴＰ３３７；Ｖ２４９
文献标识褐：Ｂ
无人机飞行控制系统模拟器设计
欧干良，陈 欣
（南京航空航天大学自动化学院，江苏南京 ２１００１６）
摘要：提出了一种基于工业控制计算机开发的某型无人机飞行控制系统模拟器设计；详细介绍了系统设计原理，给出了硬件构成方 案、软件功能模块组成和程序流程图，最后分析了测试结果；该模拟器充分利用了当前计算机技术、自动控制技术、系统实时仿真技术 和面向对象编程技术，具有功能强大、界面友好、操作灵活的特点，可用于无人机系统先期设计验证或后期测试维护；实际使用情况表 明该系统性能良好，完全能够代替真实飞行控制系统进行实时仿真试验。
（２）ＰＣＩ一９１１４ Ａ／Ｄ卡：进行模拟信号采集，支持３２通 道单端或１６通道差动输入，分辨率１６位；最大±３５Ｖ的输入 电压保护；可编程增益，具有软件触发与定时器触发等多种触 发模式。
（３）ＰｃＩ一６２１６ Ａ／Ｄ卡：用于模拟信号输出，共有１６通 道模拟量输出，分辨率为１６位；输出范围为±ｌｏ Ｖ。
（３）输入／输出模块：与配置的各种输入／输出接口卡进行 结合，负责完成飞行控制功能模块与外围设备的数据交换，实 时接收外围设备的数据输入，数据格式变换；将相关数据转化 为相应格式，实时输出。
（４）定时模块：定时模块由定时器卡和定时软件共同作
图３软件模块数据交互关系图
ｃ枣嚣１酶辈＿ｌ啦测－壮 万壤ｅ辜ｔ方潮ｅ缸数据
（６）Ｐ１０一Ｄ６４卡：系统内部定时器，作为系统实时时钟， 具有６路定时器／计数器通道；另外板上具有４个时钟源，分 别为２Ｍ，１Ｍ，５００Ｋ和２５０Ｋ，用户可以从焊脚上引用时钟源。 本系统主要利用其定时中断功能。
（７）接口转换箱：集中了所有的硬件输入／输出通道，严 格按照真实飞行控制系统的接口要求，对各种信号统一分配， 并进行输入输出驱动、电气和物理转换，形成无人机系统所需 的标准接口。 ３ 软件设计
（４）串口信号５路，均为ＲＳ４２２接口，分别为飞行控制 系统与遥控遥测系统、地面检测系统、机载参数记录系统、电 气系统控制计算机和状态监控计算机的接口信号。根据信号的 种类、标准和数量，系统应分别配置相应的Ａ／Ｄ接口卡、Ｄ／ Ａ接口卡、ＤＩ／ＤＯ（开关量信号输入输出）接口卡，多串口 卡，以及用作系统定时功能的定时器卡。综合以上考虑，系统 硬件配置及结构如图２所示。其中各部分基本特性简介如下：
开始
ｉ
取当前状态剜
●
取当前控删
●
调用飞机方程 解算子０Ｅ程
●
存状态量ｌ
●
存控制量ｌ
眄如
图５ 飞机模型模块ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ程图
图６ 飞机方程解算子流程图
图４ 系统程序总体流程图
用，完成定时卡的初始化、定时间隔的设定、定时启动功能。 系统采用主循环加定时中断以及消息驱动机制，在中断内通过 软计数判断相应任务周期，发送相应消息，驱动相应模块工 作。
Ｏ 引言
无人机是一个复杂的综合系统，通常包括飞机机体、发动 机、飞行控制、遥控遥测、状态检测、起飞着陆以及电力电源 等子系统［１］。其中，飞行控制系统是无人机的核心系统，它采 用先进的实时飞行及任务管理、导航和飞行控制技术，在实现 无人机的整个飞行功能的同时，还负责监视和控制无人机的其 它子系统，指挥无人机完成预定的任务［２］。
（１）飞机模型模块：接收飞控功能模块输出的控制量信 号；对飞机空气动力特性进行仿真；解算飞机的六自由度非线 性全量运动方程；形成飞行控制系统模拟器其它模块所需的各 种数据；仿真飞机运动时各种力和力矩，并且进行大气环境对 飞行影响的模拟。
（２）飞行控制功能模块：这部分是系统控制的核心，程序 功能复杂。根据飞机模型的实时输出数据以及外围设备的输 入，实时进行模态管理、飞行控制律和制导律解算，并实时形 成外围设备所需的数据，完成飞行控制系统功能的模拟。
万方数据
图１设计原理图
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计算机测量与控制
第３期
系统硬件以工业控制计算机（ＩＰＣ）为核心平台，充分配置外 围扩展接口模块，与无人机其它真实子系统的电气物理接口相 连；系统软件建立在Ｗｉｎｄｏｗｓ ２０００操作系统平台上，以面向 对象编程的Ｖｉｓｕａｌ Ｃ＋＋６．０为开发工具进行软件设计。 ２硬件设计
飞行控制系统模拟器的输入输出信号主要是与无人机其它 子系统的接口信号，分析归纳如下：
（１）模拟量输入信号１７路，为刹车系统、液压系统、前 轮转弯系统和电源系统的状态或反馈信号；
（２）模拟量输出信号４路，为速度信号、左右机轮刹车指 令和前轮转弯系统指令信号；
（３）开关量信号４０路，其中输入２５路，输出１５路，为 液压系统、推进系统，着陆架系统和其它子系统的状态信号；