无人机飞行控制系统地面仿真平台设计与实现

无人机飞行控制系统地面仿真平台设计与实现

 

　　为满足无人机控制律参数调节及后期控制策略优化的需要，以某型无人机为应用背景，提出了一种无人机飞行控制系统地面仿真平台的设计方案。首先分析了该平台的总体设计方案，然后介绍了主要分系统的设计，最后给出界面显示和半物理仿真结果。半物理仿真结果表明：该平台设计合理，具有一定的工程价值。

　　无人机的用途日渐广泛，功能日趋完善，其飞行控制系统逐渐复杂，不确定因素也越来越多。飞行控制系统作为无人机的核心，对无人机安全飞行、有效完成任务具有着及举足轻重的作用，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。

　　以标准化体系结构为标准，利用计算机技术和工业标准总线技术，构建高性能飞行实时仿真系统，以满足可靠性、可用性和易维护性要求。同时，作为先进飞行控制系统和航空电子关键技术的验证平台，还要满足系统的模块通用性、资源的可配置、可重构和可测试性。

　　

　　地面仿真系统配置舵机的测角装置实时采样验证机的舵面运动信号，通过仿真计算机解算验证机空中的飞行运动特性，产生转台运动的激励信号，仿真计算机将此信号通过串口通讯传给转台控制柜，控制转台模拟飞行器姿态变化，由于惯性导航装置安装在转台上，惯性导航装置将感受到的信号传给飞控计算机，飞控计算机根据控制律对当前的状态进行控制，并将解算出的姿态信号、飞行数据等经变换后传给舵机，舵机产生动作，舵机测角装置将测到的角度通过转化通过并口传给仿真计算机，从而形成闭环控制。

 

　　无人机数学模型为六自由度非线性全量运动方程，具有高阶多变量非线性时变特性。仿真软件用四元数计算姿态角，四阶龙格库塔法解算动力学微分方程。飞行仿真系统的数学模型非常复杂，为使软件逻辑清楚、界面清晰，需要进行模块化设计，按照模块化建模的思想，将动力学模型分解为气动系数模块、发动机模块、风扰模块、大气模块、初始化配平模块、串口通讯模块、多媒体时钟模块、绘图模块、加速度计、陀螺误差模拟模块、负载计算模块和无人机动力学方程模块。

 

　　硬件的初始化以及参数的设置，完成主板、AD／DA和串口等硬件设备的初始化以及中断设置等；遥控遥测模块接收并执行地面指令以及发送遥测数据；起飞和着陆模块分别控制无人机的起飞和着陆；自主导航用来对无人机进行按航路自主导航.

 

　　无人机地面测控系统由测控计算机实现，测控计算机的主板为研华ADAM-562V，测控汁算机是在Windows环境下运行的计算机，操纵杆通过USB接口接入测控计算机，RS232为标准通讯接口，将键盘介入板卡上，输出接至显示器，这部分实现了离散指令的输入和输出；将操纵杆接到PC机上，完成连续指令的输入和输出。

 

　　在测控软件中，输入模块负责响应和处理地面操纵人员的各种操作，飞行控制模块根据地面操纵人员的输入组织遥控指令帧序列，调用通讯模块的接口向机载系统发送遥控指令帧，飞行状态监测模块负责从数据存储模块读取并分析遥测帧数据，向图形显示模块提供飞行状态以及遥测数据分析结果。数据存储与维护模块既存储从通讯模块获取的遥测帧数据，也记录测控计算机发送的遥控指令帧，同时提供读写接口以供其他模块调用。通信模块主要负责各个模块间的数据和指令传输，显示模块用于显示无人机的飞行状态、遥测数据及参数曲线。