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为旋翼式无人飞行器开发硬件在环仿真器

作者:时间:2009-11-23来源:网络收藏

同时,我们使用CompactRIO作为飞行计算机,用于采集传感器信息,并且根据CompactRIO上的控制算法生成PWM执行器信号。此系统利用数字输入模块NI 9411管理RS232协议,从Crossbow NAV420 AHRS (航姿系统) 接收飞行数据信息;分别利用数字输入模块NI 9411和数字输出模块NI 9474,接收和发送PWM执行器信号;利用数字输入模块NI 9411和数字输出模块NI 9474管理I2C协议,采集声纳传感器的高度信息;从现场可编程门阵列(FPGA)接收传感器信息并记录所有的飞行数据,同时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

运行机载软件的飞行计算机等效。我们使用了NI PXI-7831R与计算机的通信。利用FPGA接口卡模拟CompactRIO实时计算机。
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TCP/IP协议与模拟计算机进行通信的地面控制台(GCS)计算机。
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景色。视觉系统可以通过TCP/IP协议从GCS计算机接收输入。

HIL软件

LabVIEW代码管理整个RUAV系统和HIL。这两段软件有着典型的CompactRIO应用设计构架。

在实际的RUAV系统中,FPGA代码使用四个不同的传感器读写循环和1个比例-积分-微分(PID)控制循环用于直升机的控制。PID循环是50Hz的闭环。写循环将PWM命令发送到直升机的主旋翼、尾旋翼和伺服执行器,完成预定义的飞行动作。第一个读取循环使用RS232协议,从Crossbow NAV 420处获得直升机的高度、角速度、速度和GPS位置,我们使用FPGA数字输入管理RS232协议,确保确定性数据采集。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。

我们使用CompactRIO实时软件进行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。为了管理地面控制台的通信,我们使用了LabVIEW Real-Time Communication Wizard。同时,在Windows OS中使用LabVIEW开发了地面控制台软件。

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。我们使用ActiveX控件开发了虚拟驾驶舱,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中的等效代码包含了运行在NI PXI-7831R上的FPGA代码,它与实际RUAV系统运行的FPGA代码是相同的。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 Design and Simulation Module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;运行LabVIEW实时软件的CompactRIO系统,它与实际运行在GCS计算机的软件是相同的。

直升机仿真器和实时代码运行在相同的机器上,这是因为所有的源代码都使用了独立的循环。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。

成功开发硬件在环仿真器

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。仿真和试飞结果的比较表明,使用开发的HIL模拟器作为RUAV系统的地面安全测试台是十分可行的。

在将来,我们将对仿真平台做进一步的改进。我们将在HIL仿真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。


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