專利名稱：一種可視化無人機(jī)飛行控制半實(shí)物仿真測(cè)試方法及系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種可視化無人機(jī)飛行控制半實(shí)物仿真測(cè)試方法及系統(tǒng)，屬于可視化系統(tǒng)仿真技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
半實(shí)物仿真是指在系統(tǒng)的仿真回路中接入控制器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)或傳感器等部分實(shí)物的仿真。對(duì)系統(tǒng)中比較簡(jiǎn)單的部分或?qū)ζ湟?guī)律比較清楚的部分或受條件限制無法將實(shí)物接入系統(tǒng)的部分建立數(shù)學(xué)模型在計(jì)算機(jī)上加以實(shí)現(xiàn)，而對(duì)比較復(fù)雜確又可以將實(shí)物接入系統(tǒng)的不見，可以采用實(shí)物進(jìn)行仿真，從而可以避免某些部件建模困難的問題。但是這種半實(shí)物仿真技術(shù)只能提供數(shù)值型態(tài)的計(jì)算數(shù)據(jù)，缺乏對(duì)仿真對(duì)象、仿真 過程和仿真結(jié)果的可視性、生動(dòng)性和直觀性，不利于為大型決策提供支持。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，視景仿真已經(jīng)成為飛行仿真系統(tǒng)一個(gè)不可或缺的重要組成部分。視景系統(tǒng)主要功能是視景模擬，實(shí)現(xiàn)人和外界環(huán)境的交互作用。視景系統(tǒng)產(chǎn)生座艙外的景象，包括機(jī)場(chǎng)跑道、燈光、建筑物、田野、河流、道路、地形地貌、飛行器等等。視景系統(tǒng)還具備模擬能見度、云、雨雪等天氣條件，以及白天、黃昏、夜間的不同景象，生成包括空中和地面活動(dòng)目標(biāo)的圖像。現(xiàn)在越來越多的研究機(jī)構(gòu)開發(fā)了降低成本的飛行模擬器，這些模擬器能夠?qū)︼w行數(shù)據(jù)進(jìn)行三維視景顯示，直觀、動(dòng)態(tài)的再現(xiàn)飛行過程，有利于發(fā)現(xiàn)控制系統(tǒng)的缺陷，及時(shí)進(jìn)行修正。目前存在的可視化實(shí)時(shí)飛行模擬器很多，包括X-plane、FlightGear、Simulator等，這些仿真軟件都含有一個(gè)或者多個(gè)飛行動(dòng)力學(xué)模型，也具有二次開發(fā)接口及配套的工具，用戶可以設(shè)計(jì)新地圖、飛行器三維模型、儀表系統(tǒng)以及動(dòng)力學(xué)模型、但是，上述飛行仿真軟件提供的動(dòng)力學(xué)模型與飛控系統(tǒng)設(shè)計(jì)的接口非常有限，僅能修改其內(nèi)嵌的動(dòng)力學(xué)模型與飛控系統(tǒng)參數(shù)，這顯然不能滿足飛行器設(shè)計(jì)人員的要求。南京航空航天大學(xué)直升機(jī)旋翼動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)室開發(fā)的飛行模擬器X-plane為視景系統(tǒng)，而動(dòng)力學(xué)模型可由用戶選擇使用X-plane自帶的或者用戶開發(fā)的，實(shí)現(xiàn)了較強(qiáng)的二次開發(fā)能力，但是用戶必須將動(dòng)力學(xué)模型與飛控系統(tǒng)轉(zhuǎn)化為C++源碼，并編譯為動(dòng)態(tài)鏈接庫，并需要對(duì)相關(guān)接口工具進(jìn)行重新編譯，較為繁瑣。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對(duì)已有的飛行控制仿真系統(tǒng)不能實(shí)時(shí)、直觀的顯示飛行狀態(tài)和數(shù)據(jù)的缺點(diǎn)，提出了一種可視化無人機(jī)飛行控制半實(shí)物仿真測(cè)試方法及系統(tǒng)。本發(fā)明的目的是通過下述技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的。步驟一、建立無人機(jī)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型。將無人機(jī)作為被控對(duì)象，實(shí)質(zhì)上是控制無人機(jī)的氣流速度V、迎角a、側(cè)滑角3、滾轉(zhuǎn)角速度P、俯仰角速度q、偏航角速度r、滾轉(zhuǎn)角(P、俯仰角0、偏航角V以及方位參數(shù)Xpye和高度H共12個(gè)狀態(tài)量。其中副翼偏轉(zhuǎn)角、方向舵偏轉(zhuǎn)角、升降舵偏轉(zhuǎn)角及油門開度分別用S a、L、SjP 6,來表示。無人機(jī)的控制量U和狀態(tài)量X表示為u=[6a 6r 6e 6f]TX= [V a ^ p q r 4) 0 ￥ xe ye H]T無人機(jī)的六自由度非線性運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)模型是由無人機(jī)的動(dòng)力學(xué)方程、以及繞質(zhì)心轉(zhuǎn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)方程組成，在機(jī)體坐標(biāo)系內(nèi)建立繞質(zhì)心轉(zhuǎn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)方程。無人機(jī)的運(yùn)動(dòng)方程由12個(gè)狀態(tài)量的微分方程描述。
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「I. F'\ v-^- + pw-m
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w- — -pvJtqi/m其中，F(xiàn)x、Fy、Fz表示作用在無人機(jī)上的合力在機(jī)體坐標(biāo)軸上的分量，u、v、w表示速度矢量在機(jī)體坐標(biāo)軸的分量，m為飛行器的質(zhì)量。同樣，獲得飛機(jī)機(jī)體坐標(biāo)系下的角運(yùn)動(dòng)矩陣方程為
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X Z AT其中，Ix、Iy、Iz分別為無人機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量在機(jī)體坐標(biāo)系下的三個(gè)分量。根據(jù)歐拉
角的關(guān)系與角速率信號(hào)之間的角運(yùn)動(dòng)學(xué)轉(zhuǎn)換矩陣得
(p- /. + c/m\(p tan6 + rcos(p tan9< 0 = c/cos(I) -rsmcp
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、 cosO cosO機(jī)體速度(u，v，w)與無人機(jī)在地面坐標(biāo)系下的速度分量(^，九，之)通過坐標(biāo)
轉(zhuǎn)換得到
- {//cos0 + (i;sin(/0+ uxos(p)sin0} cosy/ -(vcos(p- u-'sin(p)siru//
< < =p/cos0 + (rsin^>+ m/cos(p)sin0}siny/ +(Vcos(/) — wsmq))cosy/ s , = -//sin0 + (!,sirup + ^cos(p)cos6步驟二、建立無人機(jī)的三維模型。
根據(jù)無人機(jī)的各部分尺寸的參數(shù)，使用專業(yè)三維繪圖軟件，生成無人機(jī)的三維外形圖，包括前視圖、左視圖、后視圖和三維整體圖形。無人機(jī)的三維可視模型按照面向?qū)ο蟮乃悸吩O(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)無人機(jī)模型的可動(dòng)部分進(jìn)行精細(xì)化控制，實(shí)現(xiàn)動(dòng)畫效果，并且對(duì)每個(gè)對(duì)象都有獨(dú)一無二的名稱，便于用標(biāo)記語言的方法對(duì)其各個(gè)部分進(jìn)行配置。步驟三、初始化無人機(jī)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型。根據(jù)飛行任務(wù)的要求，對(duì)無人機(jī)系統(tǒng)的航向、速度等進(jìn)行初始化。步驟四、自駕儀在初始化后的無人機(jī)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型下，按照地面站給定的航跡飛行，將飛行的舵量信息反饋給動(dòng)力學(xué)模型。步驟五、動(dòng)力學(xué)模型根據(jù)自動(dòng)駕駛儀的數(shù)據(jù)更新自身的姿態(tài)、位置參數(shù)，同時(shí)調(diào)用步驟二建立的無人機(jī)三維模型，使其按照更新后的動(dòng)力學(xué)模型仿真，并實(shí)時(shí)輸出仿真圖像及數(shù)據(jù)。 至此，就實(shí)現(xiàn)了無人機(jī)的半實(shí)物可視化仿真測(cè)試。一種可視化無人機(jī)飛行控制半實(shí)物仿真系統(tǒng)，包括三維模型模塊、動(dòng)力學(xué)模型模塊、xPC模塊、自動(dòng)駕駛儀和地面站；其中，三維模型模塊包括三維模型建立模塊、三維模型配置模塊、飛行數(shù)據(jù)處理模塊和顯示模塊；動(dòng)力學(xué)模型模塊包括動(dòng)力學(xué)模型建立模塊和UDP通信模塊。系統(tǒng)的連接關(guān)系為三維模型配置模塊連接至三維模型建立模塊，三維模型建立模塊連接至飛行數(shù)據(jù)處理模塊，飛行數(shù)據(jù)處理模塊與顯示模塊相連；動(dòng)力學(xué)模型建立模塊分別連接至m)P通信模塊、xPC模塊，UDP通信模塊連接至三維模型配置模塊；xPC模塊與自動(dòng)駕駛儀互連，自動(dòng)駕駛儀與地面站互連。所述的動(dòng)力學(xué)模型建立模塊完成空氣動(dòng)力模型、大氣環(huán)境模塊、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量模塊、無人機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)模型、地球模型的建立，并能夠根據(jù)控制信息動(dòng)態(tài)更新動(dòng)力學(xué)模型。所述UDP通信模塊將動(dòng)力學(xué)模型建立模塊輸出的動(dòng)力學(xué)模型轉(zhuǎn)換為三維模型配置模塊能夠接受的數(shù)據(jù)類型，并基于UDP通信協(xié)議實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸。所述三維模型配置模塊對(duì)接收到的動(dòng)力學(xué)模型數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到三維模型的驅(qū)動(dòng)參數(shù)。驅(qū)動(dòng)參數(shù)包括舵量信息、飛行狀態(tài)參數(shù)。所述三維模型建立模塊根據(jù)任務(wù)確定的飛機(jī)尺寸、材料，運(yùn)用專業(yè)軟件生成所采用飛機(jī)的真實(shí)的前視圖、左視圖、后視圖，以及三維整體視圖。并在驅(qū)動(dòng)參數(shù)控制下，進(jìn)行三維模擬飛行。所述飛行數(shù)據(jù)處理模塊完成對(duì)三維模型飛行數(shù)據(jù)的讀取、轉(zhuǎn)換處理、發(fā)送。所述顯示模塊能同時(shí)以圖形和數(shù)字的方式顯示飛行航跡和飛行數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)變化，根據(jù)實(shí)際的需求增減所需要的數(shù)據(jù)的顯示。所述xPC模塊對(duì)動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行解析，轉(zhuǎn)變成能夠運(yùn)行的實(shí)時(shí)代碼，并執(zhí)行所生成的代碼，通過以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)與自動(dòng)駕駛儀的通信，自動(dòng)駕駛儀根據(jù)地面站的任務(wù)和實(shí)時(shí)代碼進(jìn)行飛行控制。同時(shí)，xPC模塊將接收到的自動(dòng)駕駛儀飛行狀態(tài)信息轉(zhuǎn)化為動(dòng)力學(xué)模型參數(shù)，傳遞給動(dòng)力學(xué)模型建立模塊，以更新動(dòng)力學(xué)模型。系統(tǒng)的工作流程為將任務(wù)初始化參數(shù)輸入動(dòng)力學(xué)模型建立模塊，對(duì)動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行初始化，并將初始化模型同時(shí)輸出至xPC模塊和UDP通信模塊，進(jìn)行轉(zhuǎn)化后，分別傳輸至自動(dòng)駕駛儀和三維模型；地面站根據(jù)飛行任務(wù)要求設(shè)定飛行航線，并輸出至自駕儀；自動(dòng)駕駛儀根據(jù)動(dòng)力學(xué)模型的輸出和地面站任務(wù)航線，自主飛行，并與xPC模塊實(shí)時(shí)通信，通過其將飛行數(shù)據(jù)傳入動(dòng)力學(xué)模型，以更新動(dòng)力學(xué)模型。三維模型根據(jù)實(shí)時(shí)更新的動(dòng)力學(xué)模型的驅(qū)動(dòng)參數(shù)，完成飛行的可視化仿真。有益效果本發(fā)明的半實(shí)物可視化仿真方法及系統(tǒng)為飛行控制律的設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)和驗(yàn)證提供了有效的手段和開發(fā)環(huán)境，以其簡(jiǎn)單、靈活、快速、逼真、實(shí)時(shí)的特點(diǎn)，提高了飛行控制系統(tǒng)仿真的效率既減少無人機(jī)測(cè)試風(fēng)險(xiǎn)和試驗(yàn)費(fèi)用又縮短了研制周期。


圖I為本發(fā)明的無人機(jī)可視化半實(shí)物仿真流程圖；圖2為本發(fā)明的無人機(jī)可視化半實(shí)物仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)·
圖3為具體實(shí)施方式
中無人機(jī)飛控半實(shí)物可視化仿真平臺(tái)圖；圖4為具體實(shí)施方式
中AC3D中yuanzheng6三維模型；圖5為具體實(shí)施方式
中飛行數(shù)據(jù)處理模塊流程圖；圖6為具體實(shí)施方式
中無人機(jī)可視化飛行仿真效果圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合實(shí)施例及附圖，對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明。一種基于FlightGear的可視化飛行控制半實(shí)物仿真測(cè)試方法。本發(fā)明主要是利用Simulink構(gòu)建動(dòng)力學(xué)模型和AC3D三維軟件構(gòu)建無人機(jī)的三維模型，并將其載入到飛行模擬器軟件FlightGear中，然后通過xPC實(shí)時(shí)運(yùn)行仿真模型并與自動(dòng)駕駛儀構(gòu)成硬件回路的實(shí)時(shí)仿真環(huán)境，同時(shí)通過動(dòng)力學(xué)模型驅(qū)動(dòng)飛行模擬器軟件FlightGear進(jìn)行可視化顯示。可視化無人機(jī)半實(shí)物飛行控制系統(tǒng)仿真平臺(tái)是由一臺(tái)PC機(jī)作為宿主計(jì)算機(jī)，其上運(yùn)行Matlab/Simulink，其主要作用是在仿真前進(jìn)行無人機(jī)動(dòng)力模型的構(gòu)建和生成目標(biāo)機(jī)代碼，在仿真中對(duì)控制參數(shù)進(jìn)行在線調(diào)試，以執(zhí)行和驗(yàn)證控制律，還可以對(duì)無人機(jī)運(yùn)動(dòng)規(guī)律和仿真飛行姿態(tài)的可視化進(jìn)行輸出；同時(shí)宿主計(jì)算機(jī)還可以通過Matlab/Simulink實(shí)現(xiàn)與xPC目標(biāo)機(jī)的連接、仿真的起停控制等功能。xPC目標(biāo)機(jī)用于模型的下載，運(yùn)行無人機(jī)的Simulink模型，會(huì)根據(jù)無人機(jī)動(dòng)力學(xué)模型實(shí)時(shí)解算無人機(jī)當(dāng)前的姿態(tài)信息，將這些信息通過串口有選擇性地傳送給自動(dòng)駕駛儀、地面站等設(shè)備；自動(dòng)駕駛儀則通過串口采集模擬的飛行數(shù)據(jù)，結(jié)合飛行任務(wù)要求，給出相應(yīng)的舵機(jī)控制量。xPC目標(biāo)機(jī)則通過I/O接口讀取舵機(jī)控制量，實(shí)現(xiàn)對(duì)飛行控制系統(tǒng)的仿真。飛行控制計(jì)算機(jī)上主要運(yùn)行地面站軟件，通過串口 RS232與自動(dòng)駕駛儀通信，并根據(jù)飛行任務(wù)的航跡要求，設(shè)定飛行航線，并接收自動(dòng)駕駛儀的給出的相應(yīng)的舵量信息，實(shí)時(shí)的顯示。飛行模擬器主要是接收無人機(jī)動(dòng)力學(xué)模塊發(fā)送的舵量信息，驅(qū)動(dòng)可視化仿真，并實(shí)時(shí)的發(fā)送飛行仿真數(shù)據(jù)。在半實(shí)物仿真過程中，自動(dòng)駕駛儀主要接收來自地面站的指令，并按相應(yīng)的控制律控制升降舵、副翼舵、方向舵和油門。無人機(jī)模型則做出相應(yīng)的響應(yīng)，將解算出的數(shù)據(jù)傳輸?shù)絺鞲衅鞣抡婺K，自駕儀根據(jù)傳感器仿真模塊提供的傳感信息，給出控制舵量，使飛機(jī)按指令正確平穩(wěn)的飛行，同時(shí)將飛行數(shù)據(jù)回傳到地面站進(jìn)行顯示和存儲(chǔ)以便分析，構(gòu)成完整的閉環(huán)飛行系統(tǒng)，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊主要用于傳感器和舵機(jī)量相應(yīng)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，以及數(shù)據(jù)傳送。并且姿態(tài)仿真模塊得到的計(jì)算結(jié)果通過UDP通信實(shí)時(shí)傳送到飛行模擬器中，從而驅(qū)動(dòng)視景仿真模塊，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)飛行的三維實(shí)時(shí)顯示。系統(tǒng)連接了真實(shí)舵機(jī)，更清楚地觀測(cè)舵偏角的變化，使半實(shí)物的仿真更直觀。步驟一、建立基于Simulink的無人機(jī)系統(tǒng)模型無人機(jī)系統(tǒng)模型是由無人機(jī)的動(dòng)力學(xué)模型、傳感器模型和連接模塊組成。無人機(jī)的動(dòng)力學(xué)模型包括氣動(dòng)數(shù)據(jù)及無人機(jī)的狀態(tài)方程，主要是根據(jù)舵機(jī)量及當(dāng)前飛機(jī)狀態(tài)信息解算無人機(jī)各項(xiàng)參數(shù)，如角度、角速度、速度、高度等。傳感器模塊是將飛行特性仿真的飛機(jī)飛行狀態(tài)信息(姿態(tài)角、角速率、線加速度、航向、高度、速度、經(jīng)緯度)，根據(jù)真實(shí)傳感器的數(shù)據(jù)格式和接口輸入到自駕儀，從而使整個(gè)仿真系統(tǒng)構(gòu)成一個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)。連接模塊主要是用于連接飛行模擬器FlightGear的UDP通信模塊，將無人機(jī)的舵量信息傳遞給飛行模擬器，驅(qū)動(dòng)可視化仿真。
·
步驟二、建立基于AC3D的無人機(jī)三維模型，并將三維模型載入到飛行模擬器軟件FlightGear 中。飛行模擬器軟件FlightGear對(duì)各種格式的三維圖形有良好的兼容性，可以十分便捷的導(dǎo)入三維飛信器模型。本設(shè)計(jì)采用三維設(shè)計(jì)軟件AC3D作為無人機(jī)的繪圖工具，AC3D是一個(gè)跨平臺(tái)的3D模型制作軟件，它提供了 Linux，WindOWS95/NT，和SGI等各種操作系統(tǒng)。它具有容量小、速度快、操作相對(duì)簡(jiǎn)單并且功能強(qiáng)大，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于很多領(lǐng)域。因此根據(jù)無人機(jī)的尺寸和大小，在AC3D中可繪制得到無人機(jī)的三維可視化模型。FlightGear使用XML配置文件配置三維飛行器模型，包括飛行器的動(dòng)作、位置和姿態(tài)。通過大量XML文件的配置，將飛行器載入到FlightGear飛行模擬器中，一般不會(huì)與FlightGear的場(chǎng)景恰好吻合，往往會(huì)出現(xiàn)一些偏差，如飛行器傾斜、飛行器頭指向的方向不對(duì)或者離地面太高。此時(shí)需要對(duì)飛行器模型進(jìn)行重新定位，定位的方法仍采用XML配置文件。飛行器模型需要在仿真飛行時(shí)完成一定的動(dòng)作，如副翼、方向舵等。FlightGear允許用戶控制飛行器的任意部位完成相應(yīng)的工作，唯一要求的就是這一部位在三維模型中被命名過，即設(shè)置了對(duì)象名稱。在無人機(jī)動(dòng)力學(xué)模型驅(qū)動(dòng)FlightGear之前，首先要確保在飛機(jī)數(shù)據(jù)文件夾中存有所要用到的飛機(jī)結(jié)構(gòu)、狀態(tài)、啟動(dòng)系數(shù)等相關(guān)數(shù)據(jù)。其次要為Simulink模型指定飛行數(shù)據(jù)傳到FlightGear的IP地址。步驟三、設(shè)計(jì)Simulink無人機(jī)模塊與FlightGear的通信模塊。Simulink無人機(jī)模塊與FlightGear的通信模塊米用C++編程并調(diào)用SocketAPI實(shí)現(xiàn)UDP網(wǎng)絡(luò)通信功能，基于Socket (套接字)為不同的驅(qū)動(dòng)方式編寫統(tǒng)一的接口，實(shí)現(xiàn)對(duì)通信方式的模塊化封裝，使系統(tǒng)能夠靈活的更改驅(qū)動(dòng)方式。套接字是網(wǎng)絡(luò)的基本構(gòu)件，它是可以被命名和尋址的通信端點(diǎn)，使用中的每一個(gè)套接字都有其類型和一個(gè)與之相連的進(jìn)程。套接字存在于通信區(qū)域(通信區(qū)域又稱地址簇)中。套接字只與同一區(qū)域中的套接字交換數(shù)據(jù)(跨區(qū)域時(shí)，需要執(zhí)行某和轉(zhuǎn)換進(jìn)程才能實(shí)現(xiàn))。WINDOWS中的套接字只支持一個(gè)域一網(wǎng)際域。
通信模塊分為客戶端和服務(wù)器端，客戶端與服務(wù)端進(jìn)行通信至少要使用一對(duì)套接字，其中運(yùn)行于客戶端的成為Csocket，運(yùn)行于服務(wù)器端的稱之為Ssocket?？蛻舳擞糜谕瓿捎诜?wù)端交互的程序，主要完成數(shù)據(jù)讀取、數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)發(fā)送功能?？蛻舳私缑嬷饕ㄏ到y(tǒng)控制面板和仿真數(shù)據(jù)監(jiān)控面板，其中系統(tǒng)控制面板包括飛行器模型、數(shù)據(jù)發(fā)送方式、飛行數(shù)據(jù)類型、度量單位轉(zhuǎn)換、操作啟停按鈕等；仿真監(jiān)控功能包括標(biāo)題欄、圖形顯示面板(以圖形的方式顯示實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的變化)、數(shù)字顯示面板(以數(shù)字的方式實(shí)時(shí)顯示數(shù)據(jù)變化)。步驟四、初始化無人機(jī)動(dòng)力學(xué)模型。根據(jù)不同的飛行任務(wù)的要求，初始化無人機(jī)系統(tǒng)模型的航向，速度。步驟五、設(shè)計(jì)基于xPC Target宿主機(jī)與目標(biāo)機(jī)模式的系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方案及基本構(gòu)架，利用RS232串口與自動(dòng)駕駛儀進(jìn)行通信，完成了硬件在回路的半實(shí)物仿真系統(tǒng)的構(gòu)建。宿主計(jì)算機(jī)要是將Simulink構(gòu)建的無人機(jī)系統(tǒng)模型轉(zhuǎn)化為可以實(shí)時(shí)運(yùn)行的嵌入式代碼并下載到目標(biāo)機(jī)xPC中，目標(biāo)機(jī)則用于執(zhí)行所生成的代碼，通過串口 RS232來現(xiàn)宿主 機(jī)和目標(biāo)機(jī)之間的通信。自動(dòng)駕駛儀實(shí)時(shí)執(zhí)行地面站發(fā)給自動(dòng)駕駛儀的各個(gè)指令，輸出的舵面和發(fā)動(dòng)機(jī)油門信息，控制飛行仿真過程，并接收由xPC模型及實(shí)時(shí)發(fā)送的飛行仿真數(shù)據(jù)。步驟六、同時(shí)通過UDP連接FlightGear,接收無人機(jī)動(dòng)力學(xué)模塊傳遞的舵量信息，驅(qū)動(dòng)可視化仿真，導(dǎo)出實(shí)時(shí)飛行數(shù)據(jù)。動(dòng)力學(xué)模型模塊得到的舵機(jī)量信息通過UPD通信實(shí)時(shí)傳送到FlightGear中，從而驅(qū)動(dòng)視景仿真，得到更逼真的仿真畫面，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)飛行數(shù)據(jù)的三維實(shí)時(shí)顯示。實(shí)例首先，在初始設(shè)置方面初始航向?yàn)? (正北方向)；啟動(dòng)實(shí)時(shí)代碼并建立宿主機(jī)與目標(biāo)機(jī)的通訊之后，就要將Simulink模型轉(zhuǎn)化為實(shí)時(shí)嵌入式代碼并下載到xPC目標(biāo)機(jī)中，這時(shí)就需要配置仿真參數(shù)和RTW生成文件類型。設(shè)置仿真參數(shù)和RTW生成文件類型時(shí),應(yīng)選擇模型窗口菜單中的Real-Time Workshop/TargetSelection 對(duì)話框中的 System target file 設(shè)置為 xpctarget. tic, languages 設(shè)置為 C。RTff參數(shù)設(shè)置方面測(cè)試時(shí)只有少數(shù)參數(shù)需要修改(I) Solver (解算器)選用ode4Runge_Kutta (四階龍格一庫塔法)。四階龍格一庫塔法計(jì)算誤差小，且能夠?qū)崿F(xiàn)自啟動(dòng)，在模型不是十分復(fù)雜且計(jì)算機(jī)性能較高的情況下，能夠滿足系統(tǒng)對(duì)解算速度的要求；(2)fundamental sample time (基本步長(zhǎng))設(shè)為20ms,這是根據(jù)系統(tǒng)要求及相關(guān)硬件的性能而選取的，系統(tǒng)中等效飛控模塊的基本步長(zhǎng)為20ms，。經(jīng)測(cè)試，20ms的仿真步長(zhǎng)，能使仿真設(shè)備具有很好的實(shí)時(shí)計(jì)算性能。將軟盤插入宿主機(jī)的軟驅(qū)，點(diǎn)擊“Create Bootdisk”來創(chuàng)建啟動(dòng)盤,這個(gè)過程會(huì)將xPC Target的內(nèi)核程序復(fù)制到軟盤上，將軟盤插入目標(biāo)機(jī)之后，就可以使目標(biāo)機(jī)進(jìn)入一種實(shí)時(shí)仿真的環(huán)境。在MATLAB環(huán)境下，使用“xpcexplr”命令，可以啟動(dòng)xPC TargetExplorer,如圖 3 所不，對(duì) xPC Target 的工作模式進(jìn)行設(shè)置?！癈ompiler Configuration”選項(xiàng)用來設(shè)置編譯器及其路徑，這里選擇“VisualC++”作為編譯器。“TargetPC-Configuration”選項(xiàng)用來設(shè)置xPC目標(biāo)機(jī)中實(shí)時(shí)內(nèi)核的啟動(dòng)模式。共有三種模式可以選擇，即 “BootFloopy”、“DOSLoader” 和 “StandAlone” 模式。此處選擇 BootFloopy 方式。
"TargetPC-Communication"選項(xiàng)可以設(shè)置宿主機(jī)和目標(biāo)機(jī)之間的通訊方式可以選擇 “RS-232”。然后通過RS-232連接無人機(jī)自動(dòng)駕駛儀(ARM+FPGA)，接入地面站的導(dǎo)航控制實(shí)現(xiàn)半實(shí)物仿真平臺(tái)測(cè)試工作。自動(dòng)駕駛儀(ARM+FPGA)實(shí)時(shí)執(zhí)行地面站發(fā)給自動(dòng)駕駛儀(ARM+FPGA)的各個(gè)指令，控制飛行仿真過程，并接收由xPC模型及實(shí)時(shí)發(fā)送的飛行仿真數(shù)據(jù)。選擇網(wǎng)絡(luò)(TCP/IP)模式時(shí)，需要指定目標(biāo)機(jī)的總線類型、網(wǎng)卡驅(qū)動(dòng)類型、IP地址、TCP/IP端口號(hào)、子網(wǎng)掩碼、網(wǎng)關(guān)及端口號(hào)，并且運(yùn)行時(shí)目標(biāo)機(jī)要與宿主機(jī)處在同一局域網(wǎng)中。表IxPC目標(biāo)TCP/IP配置表
·_仿真設(shè)備__IP__子網(wǎng)掩碼_‘#1巾機(jī)192.168.1.11255.255.255.0xPC 目標(biāo)機(jī) 192.168.1.10 255,255,255.0飛行數(shù)據(jù)處理模塊主要由FlightGear協(xié)議類、文件類、套接字以及客戶端幾部分組成。其中，F(xiàn)lightGear協(xié)議類定義了傳送數(shù)據(jù)的格式規(guī)范，定義數(shù)據(jù)文件類主要完成數(shù)據(jù)文件格式的定義，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化部分主要完成仿真數(shù)據(jù)到FlightGear坐標(biāo)系的數(shù)據(jù)變換，套接字部分則完成最重要的發(fā)送數(shù)據(jù)的功能。最后，客戶端界面和示波器顯示模塊主要是加強(qiáng)仿真系統(tǒng)的可用性。通信模塊分為客戶端和服務(wù)器端，客戶端與服務(wù)端進(jìn)行通信至少要使用一對(duì)套接字，其中運(yùn)行于客戶端的成為Csocket，運(yùn)行于服務(wù)器端的稱之為Ssocket?？蛻舳擞糜谕瓿捎诜?wù)端交互的程序，主要完成數(shù)據(jù)讀取、數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)發(fā)送功能?？蛻舳私缑嬷饕ㄏ到y(tǒng)控制面板和仿真數(shù)據(jù)監(jiān)控面板，其中系統(tǒng)控制面板包括飛行器模型、數(shù)據(jù)發(fā)送方式、飛行數(shù)據(jù)類型、度量單位轉(zhuǎn)換、操作啟停按鈕等；仿真監(jiān)控功能包括標(biāo)題欄、圖形顯示面板(以圖形的方式顯示實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的變化)、數(shù)字顯示面板(以數(shù)字的方式實(shí)時(shí)顯示數(shù)據(jù)變化)。本設(shè)計(jì)是基于MFC框架使用VC2008開發(fā)的可視化界面，客戶端和服務(wù)端的工作流程圖如圖5所不。同時(shí)啟動(dòng)FlightGear,需要將FlightGear的主要設(shè)置如下Select an aitcraft: yuanzheng6yuanzheng6 為任務(wù)需求所載入到FlightGear 中的無人機(jī)；FDM設(shè)為external,表示動(dòng)力學(xué)模型來自外部輸入；輸入輸出為—generic=socket,in, 60, 192. 168. I. 11, 5500, udp, yz6. xml“ socket ”設(shè)置仿真使用的數(shù)據(jù)連接方式為套接字連接，“ in ”表示數(shù)據(jù)傳輸方向，“60”為飛行器模型接收數(shù)據(jù)的頻率，“192. 168. I. 11”為主機(jī)IP地址，“5500”為主機(jī)端口，“UDP”指定使用的通信傳輸協(xié)議，“yz6. xml”為本次任務(wù)設(shè)計(jì)的通信協(xié)議內(nèi)容。為了進(jìn)行全航跡仿真實(shí)驗(yàn)，在地面站中設(shè)計(jì)了一條飛行航線，任務(wù)航線的起點(diǎn)是北緯39. 9028°、東經(jīng)116. 2620°。設(shè)置好航點(diǎn)號(hào)之后，開始半實(shí)物可視化仿真。整個(gè)飛行過程大約持續(xù)了 420秒。表2飛行任務(wù)航點(diǎn)表
權(quán)利要求
1.一種可視化無人機(jī)飛行控制半實(shí)物仿真測(cè)試方法，其特征在于包括如下步驟 步驟一、建立無人機(jī)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型； 將無人機(jī)的氣流速度V、迎角α、側(cè)滑角β、滾轉(zhuǎn)角速度P、俯仰角速度q、偏航角速度r、滾轉(zhuǎn)角φ、俯仰角Θ、偏航角ψ以及方位參數(shù)I和高度H共12個(gè)狀態(tài)量作為被控對(duì)象建立動(dòng)力學(xué)模型； 步驟二、建立無人機(jī)的三維模型； 根據(jù)無人機(jī)的各部分尺寸的參數(shù)，使用專業(yè)三維繪圖軟件，生成無人機(jī)的三維外形圖，包括前視圖、左視圖、后視圖和三維整體圖形；無人機(jī)的三維可視模型按照面向?qū)ο蟮乃悸吩O(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)無人機(jī)模型的可動(dòng)部分進(jìn)行精細(xì)化控制，實(shí)現(xiàn)動(dòng)畫效果，且對(duì)每個(gè)對(duì)象有獨(dú)一無二的名稱； 步驟三、初始化無人機(jī)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型； 根據(jù)飛行任務(wù)的要求，對(duì)無人機(jī)系統(tǒng)的航向、速度等進(jìn)行初始化； 步驟四、自駕儀在初始化后的無人機(jī)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型下，按照地面站給定的航跡飛行，將飛行的舵量信息反饋給動(dòng)力學(xué)模型； 步驟五、動(dòng)力學(xué)模型根據(jù)自動(dòng)駕駛儀的數(shù)據(jù)更新自身的姿態(tài)、位置參數(shù)，同時(shí)調(diào)用步驟二建立的無人機(jī)三維模型，使其按照更新后的動(dòng)力學(xué)模型仿真，并實(shí)時(shí)輸出仿真圖像及數(shù)據(jù)； 至此，實(shí)現(xiàn)無人機(jī)的半實(shí)物可視化仿真測(cè)試。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種可視化無人機(jī)飛行控制半實(shí)物仿真測(cè)試方法，其特征在于所述動(dòng)力學(xué)模型包括 無人機(jī)的控制量U和狀態(tài)量X U= [ δ δ δ δ f]τ a r e f」X= [V α β p q r Φ θ ψ xe ye Η]τ δ” δρ 6^和Sf分別表示副翼偏轉(zhuǎn)角、方向舵偏轉(zhuǎn)角、升降舵偏轉(zhuǎn)角及油門開度； 無人機(jī)的運(yùn)動(dòng)方程由12個(gè)狀態(tài)量的微分方程描述
3.—種可視化無人機(jī)飛行控制半實(shí)物仿真測(cè)試系統(tǒng)，其特征在于包括三維模型模塊、動(dòng)力學(xué)模型模塊、xPC模塊、自動(dòng)駕駛儀和地面站；其中，三維模型模塊包括三維模型建立模塊、三維模型配置模塊、飛行數(shù)據(jù)處理模塊和顯示模塊；動(dòng)力學(xué)模型模塊包括動(dòng)力學(xué)模型建立模塊和m)P通信模塊； 系統(tǒng)的連接關(guān)系為三維模型配置模塊連接至三維模型建立模塊，三維模型建立模塊連接至飛行數(shù)據(jù)處理模塊，飛行數(shù)據(jù)處理模塊與顯示模塊相連；動(dòng)力學(xué)模型建立模塊分別連接至UDP通信模塊、XPC模塊，UDP通信模塊連接至三維模型配置模塊；xPC模塊與自動(dòng)駕駛儀互連，自動(dòng)駕駛儀與地面站互連； 所述的動(dòng)力學(xué)模型建立模塊完成空氣動(dòng)力模型、大氣環(huán)境模塊、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量模塊、無人機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)模型、地球模型的建立，并能夠根據(jù)控制信息動(dòng)態(tài)更新動(dòng)力學(xué)模型； 所述UDP通信模塊將動(dòng)力學(xué)模型建立模塊輸出的動(dòng)力學(xué)模型轉(zhuǎn)換為三維模型配置模塊能夠接受的數(shù)據(jù)類型，并基于UDP通信協(xié)議實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸； 所述三維模型配置模塊對(duì)接收到的動(dòng)力學(xué)模型數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到三維模型的驅(qū)動(dòng)參數(shù)；驅(qū)動(dòng)參數(shù)包括舵量信息、飛行狀態(tài)參數(shù)； 所述三維模型建立模塊根據(jù)任務(wù)確定的飛機(jī)尺寸、材料，運(yùn)用專業(yè)軟件生成所采用飛機(jī)的真實(shí)的前視圖、左視圖、后視圖，以及三維整體視圖；并在驅(qū)動(dòng)參數(shù)控制下，進(jìn)行三維模擬飛行； 所述飛行數(shù)據(jù)處理模塊完成對(duì)三維模型飛行數(shù)據(jù)的讀取、轉(zhuǎn)換處理、發(fā)送；所述顯示模塊能同時(shí)以圖形和數(shù)字的方式顯示飛行航跡和飛行數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)變化，根據(jù)實(shí)際的需求增減所需要的數(shù)據(jù)的顯示； 所述xPC模塊對(duì)動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行解析，轉(zhuǎn)變成能夠運(yùn)行的實(shí)時(shí)代碼，并執(zhí)行所生成的代碼，通過以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)與自動(dòng)駕駛儀的通信，自動(dòng)駕駛儀根據(jù)地面站的任務(wù)和實(shí)時(shí)代碼進(jìn)行飛行控制；同時(shí)，xPC模塊將接收到的自動(dòng)駕駛儀飛行狀態(tài)信息轉(zhuǎn)化為動(dòng)力學(xué)模型參數(shù)，傳遞給動(dòng)力學(xué)模型建立模塊，以更新動(dòng)力學(xué)模型。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種可視化無人機(jī)飛行控制半實(shí)物仿真測(cè)試系統(tǒng)，其特征在于作為一個(gè)實(shí)例，采用飛行模擬器軟件FlightGear進(jìn)行無人機(jī)三維模型開發(fā)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種可視化無人機(jī)飛行控制半實(shí)物仿真測(cè)試方法及系統(tǒng)，屬于可視化系統(tǒng)仿真技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明通過建立無人機(jī)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型并初始化，按照地面站給定的航跡飛行，將飛行的舵量信息反饋給動(dòng)力學(xué)模型做更新，再用更新后的動(dòng)力學(xué)模型驅(qū)動(dòng)無人機(jī)的三維模型仿真，并實(shí)時(shí)輸出仿真圖像及數(shù)據(jù)。本發(fā)明還提供一種基于上述方法的系統(tǒng)，為飛行控制律的設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)和驗(yàn)證提供了有效的手段和開發(fā)環(huán)境，以其簡(jiǎn)單、靈活、快速、逼真、實(shí)時(shí)的特點(diǎn)，提高了飛行控制系統(tǒng)仿真的效率既減少無人機(jī)測(cè)試風(fēng)險(xiǎn)和試驗(yàn)費(fèi)用又縮短了研制周期。
文檔編號(hào)G05B17/02GK102789171SQ201210326338
公開日2012年11月21日 申請(qǐng)日期2012年9月5日 優(yōu)先權(quán)日2012年9月5日
發(fā)明者劉在豪, 張靜莎, 耿慶波, 費(fèi)慶 申請(qǐng)人:北京理工大學(xué)