无人直升机实时仿真系统设计与实现

无人直升机实时仿真系统设计与实现

刘涛

身份证号码： 2109211985****2612

摘要：实时仿真软件是飞行仿真系统的核心，是无人直升机研究中不可缺少的一部分。首先介绍了软件开发的硬件环境。在分析飞行仿真应用需求的基础上，划分了仿真软件的实时模块任务，并成功应用于模型动态模块、传感器模块和实时仿真软件的实现。飞行仿真系统试验是无人直升机研制中降低风险的重要环节，软件部署的质量直接影响飞行仿真试验的成败。本文设计并开发了一个基于RTOS 32+DOS操作系统和VC6.0软件的实时仿真系统。

关键词：无人直升机；实时仿真；系统设计

1、前言

目前的无人机作为一支军事力量发挥着重要作用，在民政领域也同样如此，这一点已得到世界各国的广泛认可，开辟了广阔的发展前景。它具有隐蔽性好、生存能力强、起降方便、成本低、不怕损失等特点。飞行仿真技术在无人机的研制和后续验证过程中起着非常重要的作用。飞行仿真以飞机运动为基础，面向复杂系统。首先根据空气动力学、空气动力学理论和飞行控制原理建立相应的数学模型，然后在此基础上进行仿真分析。飞行仿真可以应用于飞机气动设计、性能评估控制系统研制、飞行操作培训、模拟恢复性训练、科普教育等。航空业作为一个高科技、高投资、高风险的行业，不依赖科学可靠的系统建模理论，仿真方法和结果正在逐步形成目前，世界航空当局已经建立了自己的飞行仿真实验室，它已经成为现代仿真技术发展的一个重要分支。

2、硬件开发环境

飞行仿真系统是确保无人直升机研制成功的重要验证环节，仿真系统硬件包括模拟计算机、飞机控制、电源和光学显示平台、外部运动学模型、飞控手操作界面、操作摇杆，飞控手应负责无人直升机的飞行控制，并在校验通过后发布舵面信息；仿真计算机应负责从传输至飞控计算机的数据中获取动态解模型；根据地形，平台可以三维显示当前飞行模式；外部动态模型机可以在不安装气动直升机模型的情况下运行；人机交互可以实时模拟人工操作的过程。本文设计用于基于嵌入式现场的实时仿真，广泛应用于基于计算机的体系结构仿真堆栈总线PC104。结合无人直升机实验室工程项目的要求，实现了灵活多样的模块化配置。

3、模块任务划分

3.1仿真需求分析

随着研究的深入，对无人直升机的需求也越来越大。适应更加复杂多样的气候条件的能力、较强的适应性和钢筋耐久性是当前研究的核心。因此，仿真系统还必须能够改变更多、模拟更复杂和多样的仿真环境，结合项目框架内的研究，可以实现一系列不同模型的动态模型，以验证飞控系统控制律的兼容性。满足实验室和现场模拟测试的移植要求，尽量减少对模拟测试硬件测试的限制。在飞行控制计算机上模拟环境并检查机动性，模拟航空设备部件的一些常见错误和性能，以便更全面地验证飞行安全，缩短常规干扰的潜伏期。满足可靠实时通信的要求，建立各种仿真通信条件，以三维形式实时监控无人机的仿真飞行过程和当前飞行性能，促进系统扩展和程序更新。

3.2范围

实时仿真在仿真过程中起着重要的作用，任务的合理分配将直接影响仿真软件的质量。如果任务分配合理，仿真软件将变得简单、高效、易于扩展；实时仿真软件分为地面驱动模块、传感器、执行器、动态模型、通信模块等，每个模块分为一个或多个任务，分别执行。RTOS 32以与平均轮询时间线相同的优先级执行任务，并且每个任务都有固定的延迟时间。因此，在仿真软件中指定多个任务后，或者为了确定任务之间的调度，将由RTOS 32操作系统完全实时执行。

4、仿真模型建立

4.1无人直升机数学模型

无人直升机数学模型包括动力学模型和操纵力传递函数，无人直升机动力学模型的建立是该实时仿真系统的基础，本文基于某型号无人直升机研制过程中的参数辨识结果建立无人直升机动力学模型，为便于成果的拓展应用，对模型进行一致化处理，不同的无人直升机仅需修改部分参数即可进行仿真。操纵力传递函数解释了伺服舵机在不同环境下由气象条件下伺服舵机受力情况，其输出结构可用于舵控系统仿真模块。

4.2系统控制模块

系统控制模型主要包括无人直升机控制系统接口、气象模块和物理特效仿真模块，其中控制系统接口用于与飞控计算机进行通讯，把仿真系统当前产生无人直升机姿态、位置、速度、剩余电量、剩余油量等信息发送至飞控计算机，并接收当前舵控系统各舵机位置信息，构成仿真回路。气象模块可根据设定条件，产生风力、风险、环境温度、环境湿度等气象数据，物理特效仿真模块产生重力、振动、机体刚性等数据，综合考量控制系统的稳定性。基于由飞机垂直和水平线方程建立的气动导数控制模型，利用MATLAB控制系统分析了飞机纵向和横向的操控性和稳定性，并解释了调节规律。其主要目的是改善阻尼稳定性和三轴空间控制。

4.3舵控系统仿真模块

舵控系统仿真模块主要用于无人直升机舵控系统的仿真和测试，伺服加载器和控制系统，控制系统根据系统控制模块产生的气动力数据控制伺服加载器产生对应的负载力，以验证伺服舵机在实际工况下的可靠性。本文中伺服加载器共有12个通道，以适应不同类型的无人直升机舵控系统仿真，如常规布局无人直升机舵控通道通常包括3到4个斜盘舵机，1个航向舵机，一个油门舵机。纵列式无人直升机的前后斜盘共计包括6到8个斜盘舵机和1个油门舵机，某些情况下还包括起落架收放舵机等。除负载力以外，伺服舵机还具有响应频率、控制误差、死区等边界工况。

4.4通信仿真模块

通讯仿真模块主要针对无人直升机数据链分系统进行仿真测试，该系统根据控制仿真模块产生的无人直升机距离地面站的相对位置，利用可调衰减器进行数据链分系统的仿真和测试工作，该模块初始设定了无人直升机数据链天线的安装位置、增益、无线电通讯的频率、带宽以及机身材料地面站天线类型，利用建立的数据库调取衰减值，控制衰减器产生对应的衰减值。可获得更高的通讯效率。

4.5 飞行仿真视景的实现

飞行仿真视景通过FlightGear实现，FlightGear是一种开源飞行模拟器，支持多种操作系统，由全球飞行模拟和编程爱好者开发。FlightGear具有良好的可移植性，可配置性强、灵活度高、用户体验佳等特点。本文采用VC6.0作为搭建软件架构和系统间的数据通讯，利用MATLAB的SIMULINK进行数据的读取和处理，FlightGear用于人机交互显示，不同开发环境之间通过GUI进行数据交互。

结束语

在气动和运动学模型中，飞行仿真软件提出了一个六阶非线性方程，它反映了微型飞机的实际运动特性，该飞行仿真软件不仅可以进行气动分析，针对无人驾驶仿真直升机实时模拟器提出了几种仿真测试平台，提高了仿真开发效率，为便于后续功能扩展，在仿真领域具有较高的应用价值和一定的参考价值。经过对仿真系统的经验总结和实践中存在的问题分析，该系统功能齐全，结构合理，灵活性强，功能齐全，结构紧凑。该功能可以用模拟器代替模拟系统，模拟三轴飞行，从而显著降低模拟系统的开发和维护成本。目前，该系统已成功模拟飞机的飞行性能，确保其自主导航飞行的成功。仿真系统稳定可靠，满足实时仿真的要求。该系统操作简单，对无人系统操作员的航线规划、技能评估和操作培训具有较高的实用价值。

参考文献

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