在無人機(jī)制導(dǎo)、導(dǎo)航與控制中應(yīng)用半實(shí)物仿真

挑戰(zhàn):

在目標(biāo)硬件上搭建一個系統(tǒng)，在實(shí)時(shí)控制仿真環(huán)境中，來驗(yàn)證無人飛機(jī)(UAV)的制導(dǎo)、導(dǎo)航和控制(GNC)算法。

解決方案:

在開發(fā)的早期階段，開發(fā)一個硬件在環(huán)(HIL)測試環(huán)境來測試無人機(jī)GNC解決方案。

HIL測試環(huán)境是軟件仿真和飛機(jī)實(shí)驗(yàn)的一個中間步驟，對于無人機(jī)GNC軟件的開發(fā)過程非常關(guān)鍵。通過HIL環(huán)境，工程師可以在一個可控的仿真環(huán)境中對無人機(jī)軟件進(jìn)行測試。同時(shí)，它也能加速設(shè)計(jì)，縮短開發(fā)周期。

通過HIL環(huán)境，工程師可以發(fā)覺軟件仿真(主要是同步和定時(shí))中沒有出現(xiàn)的問題，從而避免現(xiàn)場試驗(yàn)的故障，并增加無人機(jī)團(tuán)隊(duì)的安全性。

我們開發(fā)了一個通用的HIL平臺來設(shè)計(jì)驗(yàn)證控制和導(dǎo)航算法。這個HIL測試環(huán)境完全集成在一個基于模型的設(shè)計(jì)開發(fā)周期中(見圖1)。

圖1 : HWIL測試環(huán)境示意圖

基于模型的開發(fā)

首先我們設(shè)計(jì)編改了無人機(jī)平臺，將其用于仿真，并將控制器和算法部署至硬件中。

我們根據(jù)基于模型的設(shè)計(jì)理念來完成這個任務(wù)。對于系統(tǒng)設(shè)計(jì)和仿真來說這是一個可靠方便的方法。使用代碼自動生成工具可以使我們減少設(shè)計(jì)時(shí)間，輕松完成對于測試架構(gòu)的重復(fù)利用，以及快速系統(tǒng)原型，從而形成一個連續(xù)的確認(rèn)和驗(yàn)證過程。

構(gòu)架的目的包括：在不同的硬件平臺上不用任何改變即可對模型重復(fù)利用;對設(shè)計(jì)測試套件模型進(jìn)行重復(fù)使用以驗(yàn)證目標(biāo)系統(tǒng);將透明模型完全集成到目標(biāo)硬件中，并創(chuàng)建一個系統(tǒng)的，快速的流程，將自動生成的代碼集成到目標(biāo)硬件，從而使得控制工程師無需軟件工程師的參與，即可以快速測試模型(見圖2)。對于這個項(xiàng)目，我們使用Simulink®公司的MathWorks軟件(我們還使用了Esterel Technologies公司的SCADE套件)開發(fā)了模型任務(wù)，并使用MathWorks和Real-Time Workshop®公司的軟件實(shí)現(xiàn)自動編碼。我們需要兩次不同的編改：在無人機(jī)中進(jìn)行測試及執(zhí)行的算法是由ANSI C代碼編寫的，仿真無人機(jī)動態(tài)行為的數(shù)學(xué)模型將通過LabVIEW仿真接口工具包轉(zhuǎn)換至NI LabVIEW軟件動態(tài)庫中。

圖2: 基于模型的開發(fā)流程

在最終的系統(tǒng)中，我們使用多個LabVIEW I/O模塊來仿真一些無人機(jī)航空電子和邏輯傳感器以及激勵器接口。

LabVIEW Real-Time PXI

PXI 是一個基于PC的平臺，可用于測試，測量和控制，能夠在不同的接口和總線中提供高帶寬和超低的執(zhí)行延時(shí)。在這個案例中，PXI需要在一個復(fù)雜的無人機(jī)模型中運(yùn)行，該模型會在實(shí)時(shí)中以動態(tài)庫的形式被執(zhí)行。 在系統(tǒng)中使用PXI模塊能讓我們使用無人機(jī)上完全一樣的接口進(jìn)行HIL仿真。所以，我們會以現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)完全相同的配置驗(yàn)證GNC算法處理單元。這對于一些使用純仿真不足以捕捉所有硬件相關(guān)問題(例如信號噪音，錯誤和同步問題)的系統(tǒng)來說是十分重要的。

GPS仿真器

通過Spirent GSS8000 GPS仿真器，我們能夠仿真并生成用戶選擇的GNSS星座衛(wèi)星所發(fā)出的相同的射頻信號。這些信號會以飛行實(shí)驗(yàn)相同的方式傳送到無人機(jī)上真實(shí)的GPS傳感器，并能仿真慣性傳感器(加速度計(jì)和回轉(zhuǎn)儀)。我們可以指定不同的情況，降級信號，指定天線模式及模擬IMU傳感器錯誤。

板載處理單元

我們在實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)(QNX或VxWorks)中運(yùn)行一個PC/104單元，操作系統(tǒng)中包含了算法和控制策略，用于測試自動代碼生成工具和集成架構(gòu)創(chuàng)建的代碼的完成。我們在現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)的真實(shí)無人機(jī)中也使用了相同的單元。

可視化

我們可以使用Simulink External Mode軟件對無人機(jī)進(jìn)行調(diào)試。通過這個軟件，我們可以監(jiān)測用戶需要實(shí)時(shí)知曉的信號值。此外我們可以改變嵌入式處理單元中所執(zhí)行算法的參數(shù)。在操作中所使用的界面，與控制工程師在仿真設(shè)計(jì)算法時(shí)所使用的界面完全一樣。由此，整個測試環(huán)境完全透明，而且能以同現(xiàn)場測試一樣的方式進(jìn)行HIL測試，從而大幅減少開發(fā)時(shí)間。

結(jié)果

對比飛行遙測和使用同樣的GNC算法的HIL仿真，可以表明HIL的精準(zhǔn)性和與真實(shí)測試結(jié)果的相似性。

我們在一架改裝過的無線電控制的直升飛機(jī)上集成了幾個傳感器(加速度計(jì)，回轉(zhuǎn)儀，磁力計(jì)，GPS和一個高度計(jì))和一個處理單元(見圖3)，將其轉(zhuǎn)變成一架無人機(jī)，進(jìn)行飛行測試。

圖3：實(shí)驗(yàn)中使用的基于CB5000 RC直升機(jī)改裝而成的無人機(jī)

無人機(jī)在沒有過沖或任何一個永久誤差的情況下，達(dá)到了水平面要求的參考值(見圖4和圖5)。HIL仿真和真實(shí)的飛行測試結(jié)果極其一致。

圖4：北方位置對比結(jié)果

圖5： 西方位置對比結(jié)果

結(jié)論

HIL環(huán)境非常適用于測試包含真實(shí)硬件的整個系統(tǒng)。使用NI PXI，我們在實(shí)時(shí)狀態(tài)下以低延時(shí)仿真了一個復(fù)雜的無人機(jī)模型，并完美模擬了航空設(shè)備界面。

這個環(huán)境能檢測出軟件仿真中無法顯示的錯誤，從而避免現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)意外的發(fā)生。因?yàn)?strong>控制工程師在設(shè)計(jì)，開發(fā)和驗(yàn)證過程中也會使用相同的可視化和調(diào)試工具，由此可以快速重復(fù)循環(huán)，減少開發(fā)時(shí)間。