在無人機制導(dǎo)、導(dǎo)航與控制中應(yīng)用半實物仿真

挑戰(zhàn):

在目標(biāo)硬件上搭建一個系統(tǒng)，在實時控制仿真環(huán)境中，來驗證無人飛機(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GNC解決方案。

HIL測試環(huán)境是軟件仿真和飛機實驗的一個中間步驟，對于無人機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)境中對無人機軟件進行測試。同時，它也能加速設(shè)計，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)中沒有出現(xiàn)的問題，從而避免現(xiàn)場試驗的故障，并增加無人機團隊的安全性。

我們開發(fā)了一個通用的HIL平臺來設(shè)計驗證控制和導(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)計編改了無人機平臺，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)計理念來完成這個任務(wù)。對于系統(tǒng)設(shè)計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)計時間，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)的確認和驗證過程。

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)計測試套件模型進行重復(fù)使用以驗證目標(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®公司的軟件實現(xiàn)自動編碼。我們需要兩次不同的編改：在無人機中進行測試及執(zhí)行的算法是由ANSI C代碼編寫的，仿真無人機動態(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。在這個案例中，PXI需要在一個復(fù)雜的無人機模型中運行，該模型會在實時中以動態(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上完全一樣的接口進行HIL仿真。所以，我們會以現(xiàn)場實驗完全相同的配置驗證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驗相同的方式傳送到無人機上真實的GPS傳感器，并能仿真慣性傳感器(加速度計和回轉(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

我們在實時操作系統(tǒng)(QNX或VxWorks)中運行一個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)場實驗的真實無人機中也使用了相同的單元。

可視化

我們可以使用Simulink External Mode軟件對無人機進行調(diào)試。通過這個軟件，我們可以監(jiān)測用戶需要實時知曉的信號值。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)計算法時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行HIL測試，從而大幅減少開發(fā)時間。

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上集成了幾個傳感器(加速度計，回轉(zhuǎn)儀，磁力計，GPS和一個高度計)和一個處理單元(見圖3)，將其轉(zhuǎn)變成一架無人機，進行飛行測試。

圖3：實驗中使用的基于CB5000 RC直升機改裝而成的無人機

無人機在沒有過沖或任何一個永久誤差的情況下，達到了水平面要求的參考值(見圖4和圖5)。HIL仿真和真實的飛行測試結(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硬件的整個系統(tǒng)。使用NI PXI，我們在實時狀態(tài)下以低延時仿真了一個復(fù)雜的無人機模型，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)場實驗意外的發(fā)生。因為控制工程師在設(shè)計，開發(fā)和驗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)時間。