某无人机飞控系统半实物仿真平台设计

摘要：介绍了某型无人机飞控系统半实物仿真平台的总体功能，阐述了该平台的硬件选型原则、选型方案、基本功能及自制部件的设计过程，对各分系统仿真软件设计框架进行了描述。最后，通过实际仿真对平台的设计功能进行了验证。该平台也可用于对无人机飞行品质的仿真评估，以及无人机指挥操控人员的日常模拟训练。关键词：无人机；飞行控制系统；半实物仿真；传感器仿真0 引言 无人机作为模拟飞机类来袭目标，可为防空武器系统的火控雷达校飞、射击等任务提供空中靶标，是武器系统研制、鉴定过程中必不可少的装备。作为无人机的核心组成部分之一，飞控系统通过控制无人机的姿态，从而完成无人机各种模态下的飞行任务。某无人机飞控系统现有的测试方法包括分立部件测试和部件装机后的整机综合测试。两种方法均属于常规的静态测试，组织实施复杂、测试效率较低、任务准备周期长，而且对于无人机实际飞行过程的动态性能无法验证，对测试中出现的故障难以定位，对于飞行中的环境干扰因素(主要是风干扰)和传感器失效后无人机的飞行情况也无法模拟，从而无法有针对性的进行飞行控制策略修正。综上问题，研制一套无人机飞控系统半物理仿真平台的任务显得尤为迫切。1 平台总体功能及设计方案1．1 平台总体功能 该平台以现有某型无人机飞控系统为测试对象，主要完成以下功能： (1)与无人机飞控计算机和电动舵机、油门电机等实物结合，完成飞控系统的仿真测试； (2)具备风干扰、力矩干扰条件下的飞行性能模拟，并以二维曲线方式实时显示无人机的飞行航迹、舵偏角、舵偏角速率等变化情况； (3)能够进行无人机飞控系统部分传感器的故障设置，进行故障情况下的飞行模态仿真。1．2 平台总体设计方案 半物理仿真平台由硬件设备和应用软件两部分组成。硬件设备包括新建的飞行系统模拟分系统、传感器与机载测控模拟分系统、遥控／遥测模拟分系统、指挥显示分系统、无人机外形显示分系统，以及现有的飞控计算机、飞控计算机接口箱、电动舵机、油门电机等实物。应用软件包括新建各分系统的应用程序。半物理仿真平台的原理组成框图如图1所示。

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半物理仿真平台的工作原理概况如下：传感器与机载测控模拟分系统通过接口箱与飞控计算机交换无人机的舵偏角、角速率、油门开度、遥控指令、外部干扰等信息，并向飞行系统模拟分系统传输采样转换后的飞控计算机执行结果，向遥控／遥测模拟分系统传输遥测信息(包括传感器与机载测控模拟设备的仿真数据、故障状态、遥控指令回令等)。飞控计算机将接收到信息进行解算处理后，控制电动舵机、油门电机执行相应动作，并将执行结果返回至传感器与机载测控模拟分系统。飞行系统模拟分系统将解算后的飞机状态参数送到无人机外形显示分系统，解算后以三维动画的形式显示无人机的姿态、油门开度、高度变化等信息。指挥显示分系统将收到的无人机位置、高度、速度信息在数字地图上显示，适时发出指挥口令，由操作手干扰无人机的飞行。无人机的三维外形、测控数据、指挥显示界面通过KVM切换器分时在投影幕上显示。2 平台硬件设计方案2．1 平台硬件选型原则 (1)应用软件运行平台选择原则 由于该平台属于固定式测试设备，因此在各分系统应用软件运行平台的硬件应尽量采用机架式工控机或台式计算机，主板插槽的数量和类型应相对充裕，以便于现有硬件板卡的安装和平台的后续功能拓展。 (2)数据采集卡的选型原则：一是保证通道数；二是保证采样频率；三是保证数据分辨率。2．2 平台硬件选择方案 (1)传感器与机载测控模拟分系统 该分系统包括了大量的信号采集、交换及处理任务，硬件采用工控机架构。配置数据采集卡、多串口卡以及自研的信号调理卡，完成数据采集与信息交换。 具体硬件型号和基本参数为： 工控机选用西门子547B：64位CPU处理器，4个PCI插槽，1个PCI-Ex16图形扩展接口。 多串口卡选用MOXA CP 118U：4路RS 232／422／485 PCI串口，串口通信速率为921．6 Kb／s；板载1 5 kVESD突波保护。 D／A卡选用NI PCI-6733：8路D／A，数据更新速率1 MS／s(16b)，8路数宁I／O。 A／D卡选用NI PCIe-6259：4路D／A，数据更新速率为1 Ms／s(16 b)，32路A／D通道数；A／D采样速率为2．8 MS／s(16 b)，48路数字I／O。 DIO卡选用NI PCIe-6503：24路数字I／O。 (2)飞行系统模拟分系统、遥控／遥测模拟分系统 这两个分系统主要是进行无人机和测控数据的传输和解算，其硬件组成比较简单，选用带有多种类型主板插槽的普通商用台式计算机即可，配置MOXA CP118U多串口卡。 (3)指挥显示分系统、无人机外形显示分系统 这两个分系统主要是进行指挥、显示应用软件的运行，选用带有多种类型主板插槽的普通商用台式计算机即可。2．3 自制信号调理卡设计 传感器与机载测控模拟分系统与遥控／遥测模拟分系统、飞行系统模拟分系统、飞控计算机接口箱等部分进行数据交换时，通过D／A，A／D，DIO板卡完成信号转换时，会受到机箱内复杂电磁环境的影响，导致输出信号带有很强的噪声，需要对其进行滤波处理。另外，由于飞控计算机接口箱输入输出电压均为+27 V，而D／A，A／D，DIO板卡工作电压均为+5 V，因此还需要设计信号调理卡完成信号滤波和工作电压的转换。信号调理卡与外部部件连接示意图如图2所示。

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