开发半实物模拟器-为旋翼式无人飞行器.doc

开发半实物模拟器 为旋翼式无人飞行器 我们选择NI公司 的 CompactRIO 系统作为飞行计算 机，是因为它有着可 靠且可重配置的构 架，这使我们能够快 速简便地对不同的输 入/ 输出硬件和传 感器进行集成。- R. Pretolani, University of Bologna II School of Engineering ForliThe Challenge:为博洛尼亚大学的旋 翼式无人飞行器 （RUAV）平台开 发半实物测试台，它 能够对实际的UAV 系统进行模拟，用于进行安全无风险的飞 行前测试。The Solution:系统构架使用NI公司的硬件 和软件开发半实物模 拟器作为集成的模块 化系统。我们使用 NI PXI- 7831（而不是机 载的 CompactRIO控制器和FPGA模 块）来模拟RUAV 系统，同时我们利用 NI LabVIEW Control and Design Simulation Module 软件实现了直升机模型来 模拟RUAV平台。 与飞行测试的比较表 明，我们开发的 HIL模拟器是一个 可靠的测试平台，可以对机载RUAV控 制系统进行安全的地 面测试。Author (s):R. Pretolani - University of Bologna II School of Engineering ForliG. M. Saggiani - University of Bologna II School of Engineering ForliB. Teodorani - University of Bologna II School of Engineering ForliF. Zanetti - University of Bologna II School of Engineering Forli在博洛尼亚大学 DIEM航空航天 系，我们开发了旋翼 式无人飞行器，并使 用NI公司的 CompactRIO 系统作为飞行数据采 集和直升机控制的机 载计算机。在第一次 飞行测试中， UAV 直升机可以 在计算机控制下，完 成完整的飞行动作。 与RUAV 系统开 发同时进行的是模块 化的半实物测试台， 它也是在NI LabVIEW环境 中开发出来的，能够 在飞行前进行安全无 风险的硬件和软件测 试。我们开发的半实 物测试台（如图2 所示），在测试环中 包含了尽可能多的飞 行器硬件，同时包含 了与机载系统等效的 软件和硬件。特别的 是，我们使用了NI 公司的 PXI-7831 来代替 CompactRIO FPGA 模块。在 HIL 中，我们使 用NI LabVIEW Control and Design Simulation 软件实现了直升机模 型来模拟RUAV平 台。与飞行测试的比 较表明， HIL模 拟器是一个可靠的测 试平台，能够对机载 RUAV控制系统进 行安全的地面测试。图1.系统构架1/5图2.HIL 模拟 器构架背景众所周知，无人驾驶 飞行器在民用领域是 一个很有前景的低成 本选择。相比传统的 飞行器，无人飞行器 在人员安全（特别是 枯燥、肮脏和危险的 任务）、降低运作成 本以及工作效率方面 具有巨大的优势。近 几年来，博洛尼亚大 学进行了若干个民用 的固定机翼或旋翼式 UAV 平台开发的 研究项目。为了开发 出这种类型的平台， 我们需要新的航空电 子系统，能够使直升 机保持在稳定的高度 并按照需要的轨迹飞 行，该航空电子设备 系统包含传感器、计 算机和数据通信硬 件，以及对飞行器进 行导航和控制的软 件。总的说来， RUAV航空电子系 统的开发，需要涉及 到微电子、数据通 信、电子集成、安装 和编程、滤波器设 计、信号调理及振动 隔离等广泛领域。大 多数现有RUAV项 目使用了机载电子设 备，需要雇佣大量的 专业技术人员进行系 统的装配和测试，进 而增加开发时间和总 成本。在博洛尼亚大学， RUAV 航空电子 系统作为一个集成的 模块化系统，是使用 即时可用而且具有成 本效益的技术开发出 来的。我们选择 NI 公司的 CompactRIO 系统作为飞行计算 机，是因为它有着可 靠且可重配置的构 架，这使我们能够快 速简便地对不同的输 入/ 输出硬件和传 感器进行集成。与直升机平台建造及 航空电子系统开发同 时进行的是，在 NI LabVIEW环境 中开发模块化半实物 测试平台，用于安全 无风险的飞行前测 试。 CompactRIO 系统和半实物模拟器 都能够进行快速而容 易的编程，来大幅度 地加速软硬件的开发 与集成。我们将在下 面的章节中介绍这些 系统。硬件和软件构架通常，RUAV 系 统的开发需要经过一 系列的步骤，包括： 硬件选型和系统 设置 设计传感器采集 软件和控制系统 开发半实物仿真 测试平台，对机载硬 件和软件进行无风险 的地面测试 最终的自主飞行 实验测试图1 和图2 中显 示了RUAV 系统 的构架和HIL 模 拟器。机载系统和 HIL 模拟器都是 使用大量NI 公司 的硬件和软件开发出 来的。在UNIBO 开发出的RUAV平 台由 Hirobo60 业余直升机组成，它 们被改装以装载航空 硬件。为了提高直升 机的载重能力，我们 还安装了更为强大的 引擎、更长的玻璃纤 维桨叶、更长的尾桁 和尾桨。NI CompactRIO 作为飞行计算机，用 于采集传感器信息， 并且根据实现的控制 算法生成PWM 执 行器信号，特别是： CompactRIO FPGA 利用数字 输入模块cRIO- 9411 管理 RS232 协议， 从 Crossbow NAV420 AHRS（航姿系 统）接收飞行数据信 息。 CompactRIO FPGA 分别利用 数字输入模块 cRIO- 9411 和数字输 出模块cRIO- 9474，接收和发 送PWM 执行器信 号 CompactRIO 利用数字输入模块 cRIO- 9411 和数字输 出模块cRIO- 9474 管理 I2C 协议，采集 声纳传感器的高度信 息 CompactRIO 实时核心从FPGA 接收传感器信息并记 录所有的飞行数据， 同时它还管理与地面 控制台的无线以太网 通信 我们开发的HIL 测试台在测试环中包 含了尽可能多的飞行 器硬件： 运行机载软件的 飞行计算机等效硬 件。为了这个目标， 我们使用了与 CompactRIO FPGA 模块等效 的NI PXI- 7831R。可以使 用FPGA 接口卡 进行PXI 与计算 机的通信（模拟CompactRIO 实时核心）。 模拟直升机单元 和机载传感器输出的 计算机。包含了真正 的GCS源代码，并 使用与模拟计算机利 用TCP/IP协议 进行通信的地面控制 台（GCS）计算 机。2/5 还可以选择性地 添加OpenGL视 觉系统计算机，用于 重现直升机飞行时的 虚拟情景。视觉系统 可以通过 TCP/IP 协议 从GCS 计算机接 收输入。软件图3 显示了管理整 个RUAV系统的 LabVIEW 代 码，图4 显示了 HIL模拟器中的等 效代码。两个软件程 序都有着典型的 CompactRIO 应用设计构架。图3.RUAV 软 件图4.HIL 的软 件实现特别的，对于实际的 RUAV 系统而 言： FPGA 代码 使用四个不同的传感 器读写循环和1 个 PID 控制循环用 于直升机的控制。目 前PID 循环是 50Hz的闭环。写 循环将PWM命令发 送到直升机的伺服执 行器（主旋翼周期距 和总距、尾旋翼总距 和引擎），来跟踪预 定义的飞行动作。我 们从使用 RS232 协议的 Crossbow NAV 420 处 获得直升机的高度、 角速度、速度和 GPS位置，使用 FPGA 数字输入 管理RS232 协 议，确保确定性数据 采集，这是实时程序 无法实现的。第二个 读取循环管理PWM 命令数据采集。另一 个读写循环用于采集 声纳传感器数据并管 理I2C 协议。 CompactRIO 实时软件用于 FPGA 数据采 集、机载飞行数据记 录及与地面控制站的 无线以太网通信,这 些都是由 LabVIEW实时 模块通信助手来管 理. 地面控制台软件 也是使用 Windows版的 LabVIEW开发 的，它运行在使用 Windows XP 的笔记本电脑 （主计算机）上。远 程图形化用户界面包 含两个窗口：虚拟驾 驶舱和用于实时显示 飞行数据信息的遥感 勘测窗口（请看图 3）。 第一台是使用 ActiveX 控 件实现的，就像 Global Majic 软件公 司的飞行器仪器那 样。我们还可以使用 额外的信息，如 GPS和惯性测量单 元的状态和系统警告 等。HIL 模拟器中的 等效代码包含了运行 在NI PXI- 7831R 上的实 际的RUAV系统的 FPGA 代码。在 模拟计算机上运行的 代码包含三个主要部 分： 仿真循环，它包 含了使用 LabVIEW Control and Design SimulationModule 开发的直升机仿真模 型。 串口写循环，用 于根据直升机仿真循 环的状态信息，模拟 Crossbow NAV 420 的 RS232 输出。 相同的 CompactRIO 实时软件。由于实际 原因，直升机模拟器 和实时代码运行在相 同的机器上。这是可 行的，因为所有的源 代码都使用了独立的 循环。运行在 GCS 计算机的软 件与实际的GCS软 件是相同的。这种设定的结果就是 机载计算机“认为” 正在控制飞行器，所 有的配置/ 数据流 与自动飞行的设定都 是相同的。在这种情 况下，经过大量的地 面安全仿真，我们在 进行飞行测试前就可 以了解机载软件的性 能和可能的缺陷。结果和结论我们进行了HIL仿 真和试飞，来测试使 用选定的硬件和开发 的软件用于直升机控 制的可行性。仿真和 试飞结果表明两者十 分吻合（请看图 5），因此使用开发 的HIL 模拟器作 为UNIBO RUAV 系统的地 面安全测试台是十分 可行的。3/5图5.飞行测试与 HIL 仿真的比较在将来，我们将对仿 真平台做进一步的改 进。我们将在 HIL 模拟器上实 现更为复杂的动力学 模型，包含更精确的 飞行传感器模型。与RUAV平台一 起，这些仿真环境提 供了有效的测试平 台，用于安全地面飞 行前测试或研究不同 的控制和导航策略。 我们还将进行人机界 面和空气系统整合的 研究，这被认为是民 用UAV 未来发展 及其在航空整合应用 中的关键技术之一。如果您有任何问题, 请留言给NI工程 师，我们会尽快给您 回电！Author Information:R. PretolaniUniversity of Bologna II School of Engineering Forli4/5系统构架LegalThis case