為旋翼式無人飛行器開發(fā)硬件在環(huán)仿真器

Author(s):
G. M. Saggiani - University of Bologna, School of Engineering Forlì
R. Pretolani - University of Bologna, School of Engineering Forlì
B. Teodorani - University of Bologna, School of Engineering Forlì
F. Zanetti - University of Bologna, School of Engineering Forlì

Industry:
Aerospace/Avionics, Research

Products:
PXI-7831R, CompactRIO, Real-Time Module, LabVIEW, FPGA Module, Control Design and Simulation Module, NI 9474, NI 9411

The Challenge:
  為博洛尼亞大學(xué)(UNIBO)的旋翼式無人飛行器(RUAV)平臺開發(fā)硬件在環(huán)測試臺，它能夠?qū)?shí)際的UAV系統(tǒng)進(jìn)行模擬，用于進(jìn)行安全無風(fēng)險的飛行前測試。

The Solution:
  使用NI CompactRIO和LabVIEW FPGA 模塊開發(fā)集成的模塊化HIL仿真系統(tǒng)。

   無人駕駛飛行器在民用和軍用的許多領(lǐng)域中，是一個很有前景的低成本選擇。相比傳統(tǒng)的飛行器，無人飛行器可以提供更低的運(yùn)行成本和顯著的人員安全優(yōu)勢（特別是枯燥、骯臟和危險的任務(wù)）。近幾年來，我們開展了若干個民用的固定機(jī)翼或旋翼式UAV平臺的研究項(xiàng)目。

為了開發(fā)出這種類型的平臺，我們需要新的航空電子系統(tǒng)，能夠使直升機(jī)保持在穩(wěn)定的高度并按照需要的軌跡飛行。該航空電子設(shè)備系統(tǒng)包含傳感器、計算機(jī)和數(shù)據(jù)通信硬件，以及對飛行器進(jìn)行導(dǎo)航和控制的軟件。RUAV航空電子系統(tǒng)的開發(fā)，需要涉及到微電子、數(shù)據(jù)通信、電子集成、安裝和編程、濾波器設(shè)計、信號調(diào)理及振動隔離等廣泛領(lǐng)域。傳統(tǒng)的RUAV項(xiàng)目使用機(jī)載電子設(shè)備，需要雇傭大量的專業(yè)技術(shù)人員進(jìn)行系統(tǒng)的裝配和測試，這增加開發(fā)的時間成本。

在我們開發(fā)的RUAV航空電子系統(tǒng)組件中，使用CompactRIO作為飛行計算機(jī)，因?yàn)樗兄煽壳铱芍匦屡渲玫臉?gòu)架，可以快速而便捷地集成不同的I/O硬件和傳感器。

與直升機(jī)平臺建造及航空電子系統(tǒng)開發(fā)同時進(jìn)行的是，在LabVIEW環(huán)境中開發(fā)模塊化半實(shí)物測試平臺，用于安全無風(fēng)險的飛行前測試。CompactRIO和HIL仿真器可以快速而便捷的進(jìn)行編程。它們還可以加速軟硬件的開發(fā)和整合。

硬件和系統(tǒng)構(gòu)架

RUAV系統(tǒng)的開發(fā)通常使用下面的方法：

硬件選型和系統(tǒng)建立
設(shè)計傳感器采集軟件和控制系統(tǒng)
開發(fā)半實(shí)物測試臺，對機(jī)載硬軟件進(jìn)行無風(fēng)險的地面測試
最終的自主飛行實(shí)驗(yàn)測試
 

我們的RUAV平臺由Hirobo60業(yè)余直升機(jī)組成，我們對直升機(jī)進(jìn)行了改裝來裝載航空電子硬件。為了提高直升機(jī)的載重能力，我們還安裝了更為強(qiáng)大的引擎、更長的玻璃纖維槳葉、更長的尾桁和尾槳。

同時，我們使用CompactRIO硬件作為飛行計算機(jī)，用于采集傳感器信息，并且根據(jù)CompactRIO上的控制算法生成PWM執(zhí)行器信號。此系統(tǒng)利用數(shù)字輸入模塊NI 9411管理RS232協(xié)議，從Crossbow NAV420 AHRS (航姿系統(tǒng)) 接收飛行數(shù)據(jù)信息；分別利用數(shù)字輸入模塊NI 9411和數(shù)字輸出模塊NI 9474，接收和發(fā)送PWM執(zhí)行器信號；利用數(shù)字輸入模塊NI 9411和數(shù)字輸出模塊NI 9474管理I2C協(xié)議，采集聲納傳感器的高度信息；從現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA）接收傳感器信息并記錄所有的飛行數(shù)據(jù)，同時管理與地面控制臺的無線以太網(wǎng)通信。

我們開發(fā)的HIL測試臺在測試環(huán)中包含了盡可能多的飛行器硬件：

運(yùn)行機(jī)載軟件的飛行計算機(jī)等效硬件。我們使用了NI PXI-7831R與計算機(jī)的通信。利用FPGA接口卡模擬CompactRIO實(shí)時計算機(jī)。
模擬直升機(jī)單元和機(jī)載傳感器輸出的計算機(jī)。
包含了真正的GCS源代碼，并使用TCP/IP協(xié)議與模擬計算機(jī)進(jìn)行通信的地面控制臺(GCS)計算機(jī)。
還可以選擇性地添加OpenGL視覺系統(tǒng)計算機(jī)，用于重現(xiàn)直升機(jī)飛行時的虛擬景色。視覺系統(tǒng)可以通過TCP/IP協(xié)議從GCS計算機(jī)接收輸入。
 

HIL仿真器軟件

LabVIEW代碼管理整個RUAV系統(tǒng)和HIL仿真器。這兩段軟件有著典型的CompactRIO應(yīng)用設(shè)計構(gòu)架。

     在實(shí)際的RUAV系統(tǒng)中，F(xiàn)PGA代碼使用四個不同的傳感器讀寫循環(huán)和1個比例-積分-微分（PID）控制循環(huán)用于直升機(jī)的控制。PID循環(huán)是50Hz的閉環(huán)。寫循環(huán)將PWM命令發(fā)送到直升機(jī)的主旋翼、尾旋翼和伺服執(zhí)行器，完成預(yù)定義的飛行動作。第一個讀取循環(huán)使用RS232協(xié)議，從Crossbow NAV 420處獲得直升機(jī)的高度、角速度、速度和GPS位置，我們使用FPGA數(shù)字輸入管理RS232協(xié)議，確保確定性數(shù)據(jù)采集。第二個讀取循環(huán)管理PWM命令數(shù)據(jù)采集。另一個讀寫循環(huán)用于采集聲納傳感器數(shù)據(jù)并管理I2C協(xié)議。

   我們使用CompactRIO實(shí)時軟件進(jìn)行FPGA數(shù)據(jù)采集、機(jī)載飛行數(shù)據(jù)記錄及與地面控制站的無線以太網(wǎng)通信。為了管理地面控制臺的通信，我們使用了LabVIEW Real-Time Communication Wizard。同時，在Windows OS中使用LabVIEW開發(fā)了地面控制臺軟件。

   遠(yuǎn)程圖形化用戶界面包含兩個窗口：虛擬駕駛艙和用于實(shí)時顯示飛行數(shù)據(jù)信息的遙感勘測窗口。我們使用ActiveX控件開發(fā)了虛擬駕駛艙，就像Global Majic軟件公司的飛行器儀器那樣。我們還可以使用額外的信息，如GPS和慣性測量單元的狀態(tài)和系統(tǒng)警告等。

   HIL仿真器中的等效代碼包含了運(yùn)行在NI PXI-7831R上的FPGA代碼，它與實(shí)際RUAV系統(tǒng)運(yùn)行的FPGA代碼是相同的。在模擬計算機(jī)上運(yùn)行的代碼包含三個主要部分：仿真循環(huán)，它包含了使用LabVIEW Control Design and Simulation Module開發(fā)的直升機(jī)仿真模型；串口寫循環(huán)，用于根據(jù)直升機(jī)仿真循環(huán)的狀態(tài)信息，模擬Crossbow NAV 420的RS232輸出；運(yùn)行LabVIEW實(shí)時軟件的CompactRIO系統(tǒng)，它與實(shí)際運(yùn)行在GCS計算機(jī)的軟件是相同的。

   直升機(jī)仿真器和實(shí)時代碼運(yùn)行在相同的機(jī)器上，這是因?yàn)樗械脑创a都使用了獨(dú)立的循環(huán)。這種設(shè)定的結(jié)果就是機(jī)載計算機(jī)“認(rèn)為”正在控制飛行器，所有的配置數(shù)據(jù)流與自動飛行的設(shè)定都是相同的。在這種情況下，經(jīng)過大量的地面安全仿真，我們在進(jìn)行飛行測試前就可以了解機(jī)載軟件的性能和可能的缺陷。

成功開發(fā)硬件在環(huán)仿真器

   我們進(jìn)行了HIL仿真和試飛，來測試使用選定的硬件和開發(fā)的軟件用于直升機(jī)控制的可行性。仿真和試飛結(jié)果的比較表明，使用開發(fā)的HIL模擬器作為RUAV系統(tǒng)的地面安全測試臺是十分可行的。

   在將來，我們將對仿真平臺做進(jìn)一步的改進(jìn)。我們將在HIL仿真器上實(shí)現(xiàn)更為復(fù)雜的動力學(xué)模型，包含更精確的飛行傳感器模型。與RUAV平臺一起，這些仿真環(huán)境提供了有效的測試平臺，用于安全地面飛行前測試或研究不同的控制和導(dǎo)航策略。