CN102109418A - 一种无人机系统仿真测试方法及仿真试验系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无人机系统仿真测试方法及仿真试验系统，它是将无人机系统安装在多纬度运动平台系统上，通过多纬度运动平台系统提供无人机系统的多维度运动；通过信号源模拟系统为无人机系统提供模拟运动的信号数据；通过控制和测量系统提供运动仿真的控制逻辑流程以及平台运动量闭环测量和对无人机系统的相应测量；通过运动伺服系统提供多纬度运动平台系统运动所需的驱动源，通过仿真参数记录和显示系统提供参数记录和实时显示以及迭加的背景信息。本发明可以提供一种对无人机系统在地面进行动态的试验检查和仿真，替代实际飞行，从而显著减少实际飞行风险，缩短试验验证周期，节省费用。

Description

一种无人机系统仿真测试方法及仿真试验系统

技术领域

本发明涉及一种无人机系统仿真测试方法及仿真试验系统。

背景技术

作为型号装备或一般产品，无人机首飞前的试验对安全首飞是必要的。目前，实现无人机性能测试的方法主要采取地面加载检查和飞行试验。地面加载检查包括通电检查和动力运行下的检查以及滑行检查。由于这些传统的检查是保持被测对象处于地面，没有实际飞行条件的种种干扰和响应，检查难以充分，因此难以检查无人机系统设计的很多故障或验证状态转换的实际情况，进行飞行仿真更难，而实际飞行存在风险，如何在地面进行更加充分的试验检查，避免带问题飞行或者在发现故障问题后能够在地面进行试验，复现发生问题的飞行条件，分析排出问题，减少飞行风险，为此需要寻找新的试验方法。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于提供一种无人机系统仿真测试方法及仿真试验系统，对无人机系统在地面进行动态的试验检查和仿真，替代实际飞行，减少飞行风险、缩短试验验证周期、节省费用，克服现有技术的不足。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案：无人机系统仿真测试方法。它将被测试的无人机系统安装在多纬度运动平台系统上，通过多纬度运动平台系统提供无人机系统的多维度运动；通过信号源模拟系统为被测试的无人机系统提供模拟运动的信号数据；通过控制和测量系统提供运动仿真的控制逻辑流程以及平台运动量闭环测量和对无人机系统的相应测量；通过运动伺服系统提供多纬度运动平台系统运动所需的驱动源，通过仿真参数记录和显示系统提供参数记录和实时显示以及迭加的背景信息。

上述的无人机系统仿真测试方法，它对被测试的无人机系统通过控制和测量系统的预先编写的控制逻辑流程驱动运动伺服系统和多纬度运动平台系统进行一维的运动试验检查或进行多维的组合运动检查或仿真或者是根据飞行航线设计进行连续的运动检查和仿真试验。

前述的无人机系统仿真测试方法，它根据被测试的无人机系统上的传感器和控制逻辑流程提供运动控制数据由控制和测量系统驱动多纬度运动平台系统进行跟随运动并进行运动检查和仿真试验。

无人机系统仿真试验系统。其构成包括多纬度运动平台系统、运动伺服系统、信号源模拟系统、控制和测量系统、仿真参数记录和显示系统和试验室环境系统，所述的多纬度运动平台系统、运动伺服系统、信号源模拟系统、控制和测量系统、仿真参数记录和显示系统装在试验室环境系统中；被测试的无人机系统安装在多纬度运动平台系统的顶层上，并与信号源模拟系统、控制和测量系统连接；运动伺服系统与多纬度运动平台系统和控制和测量系统连接；仿真参数记录和显示系统与无人机系统、控制和测量系统或信号源模拟系统连接。

上述的无人机系统仿真试验系统中，所述的多纬度运动平台系统由多层结构组成，每一层的运动机构分别与运动伺服系统连接。

前述的无人机系统仿真试验系统中，所述的运动伺服系统由横滚层、俯仰层、偏航层和侧偏层四层结构组成。

前述的无人机系统仿真试验系统中，所述的信号源模拟系统由多种信号模拟源组成，并通过机械或电气接口与被测试的无人机系统或控制和测量系统连接。

前述的无人机系统仿真试验系统中，所述的控制和测量系统由计算机系统和测量传感器接口组成，控制和测量系统与运动伺服系统、仿真参数记录和显示系统或信号源模拟系统连接。

前述的无人机系统仿真试验系统中，所述的仿真参数记录和显示系统由计算机系统、记录器和显示屏组成。

前述的无人机系统仿真试验系统中，所述的试验室环境系统由风水电气、照明、试验设备安装场地、重物移动装置、建筑顶棚的防护和透波设施、设备保管场地以及人员操作场地和必要的安全保障设施组成。

本发明的有益效果：与现有技术相比，本发明特别适合作为无人机系统的试验检查或仿真，也适合作为对无人机的引导飞行验证。采用本发明的试验研究方法可以减少飞行风险，提供可以重复的、可以比较的试验分析环境。本发明为无人机系统提供了在地面进行新型无人机首次飞行前的试验检查验证或是进行飞行故障的复现分析。在无人机应用的新领域如空中加油，编队飞行等，亟需提供相应的试验仿真验证手段，本发明适用于此。本发明特别适合用于复杂无人系统的试验分析验证，包括无人舰船、无人飞船也包括有人驾驶飞行器的飞行研究等，可显著避免飞行风险，提高试验分析的有效性，缩短试验时间，节省试验费用。同时，本发明的方法技术成熟可靠，具有很强的通用性，设备建设运行费用低，使用方法简易可行。通过本发明可以提供一种对无人机系统在地面进行动态的试验检查和仿真，替代实际飞行，从而显著减少实际飞行风险，缩短试验验证周期，节省费用。本发明对实装无人机系统进行试验验证或仿真具有真实性，特别是无人机系统这类电磁设备集成度很高的复杂系统，采用实装进行试验对电磁兼容性特别是全系统的信号完整性的检查更加重要，对机械或电气连接与传动的检查也更必要和充分。同时，本发明的仿真试验系统的设计由几个功能分系统组成，是否通用的主要差异因素是被测对象，当被测对象采用实装进行试验，保证的本发明的仿真试验系统具有通用性，包括适用于不同性能的整机，或其分系统；对设备的承载重量进行分级设计，可适用于不同重量的整机进行试验。

典型的适用范围如下：(一)、整机测试和仿真，包括两类：1)根据预先飞行控制程序驱动运动平台使飞行器运动，对飞行器的响应进行运动检查和仿真试验；在本发明中运动检查和仿真试验也统称为测试。2)根据飞行器上的跟踪系统进行跟踪的需要所提供的控制逻辑流程驱动运动平台使飞行器运动，对飞行器的响应进行测试。

(二)、分系统测试分析，使用的分系统如下：1)飞行姿态激励：组合导航模式转换，航姿系统转换，燃油系统供输油状态，卫星中继天线跟踪锁定与重捕。2)引导控制激励：光电跟踪，雷达指向，信号测向，飞行对接或编队，着陆着舰。3)模式转换激励：舵机主备转换，测控中断自动返航，起落架收放。4)运行考核检查：全机电磁兼容与信号完整性检查，机械和电气连接性检查，应力检查与早期故障考核；其中，本发明所称的连接包括机械的或电气的，也包括依次的串联或平行的并联。一般情况可以进行100％的首次飞行前检查项目，进行绝大部分故障复现试验分析项目，进行多种飞行仿真研究，特别是进行新飞行概念模拟研究。

本发明的仿真试验系统在使用上分为两种用法：一种是按照预先制定的试验仿真控制逻辑流程对被测试对象进行驱动，测量其在动态的运动中的相应，实现试验检查和仿真的目的；为实现实装无人系统通用仿真试验系统的通用，一方面是在承载重量和运动控制上划分一定规格或留有一定余量，特别是信号源模拟系统4和控制和测量系统5应尽可能软件化，满足接口通用和短时间少量更换的需要。另一种是反之，以被测对象上的目标探测器所要跟踪的目标的运动为依据，给目标探测器一种目标运动模式诱导其响应，由目标探测跟踪器给出目标移动的跟踪信息，根据此信息实时传给控制和测量系统作为运动控制指令驱动多纬度运动平台系统运动，实现验证被测对象与探测目标保持相对的位置或姿态性能的目的。本发明适用于无人驾驶飞行器及其分系统的运动检查和仿真试验，同样适用于有人驾驶飞行器及其分系统的运动检查和仿真试验。

附图说明

图1是本发明的结构原理图；

图2是多纬度运动平台系统的侧偏层结构示意图；

图3是多纬度运动平台系统的偏航层结构示意图；

图4是多纬度运动平台系统的俯仰层结构示意图；

图5是多纬度运动平台系统的横滚层结构示意图。

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的说明。

具体实施方式

实施例1。无人机首飞前试验检查和飞行故障试验分析。如图1所示，包括多纬度运动平台系统2、运动伺服系统3、信号源模拟系统4、控制和测量系统5、仿真参数记录和显示系统6和试验室环境系统7，多纬度运动平台系统2、运动伺服系统3、信号源模拟系统4、控制和测量系统5、仿真参数记录和显示系统6装在试验室环境系统7中。被测试的无人机系统1安装在多纬度运动平台系统2的顶层上，并通过其电气接口分别与信号源模拟系统4、控制和测量系统5、试验室环境系统7的电源连接。安装时，将被测试的无人机系统1安装在多纬度运动平台系统2上，无人机系统1内部的功能系统通过电气接口连接到控制和测量系统5和信号源模拟系统4，也可以连接仿真参数记录和显示系统6以便记录或显示无人机系统1的工作参数以及控制和测量系统5的参数。无人机系统1的电源连接至试验室环境系统7，或使用无人机系统1的自带电源；对于无人机系统1，其发电机通常是由发动机带动发电，为进行室内的试验，可以用其他合适的发动机代替为无人机系统1的发电机提供动力拖动。无人机系统1安装在多纬度运动平台系统2的顶层上，多纬度运动平台系统2由多层结构组成，每一层具有与所承载的被测对象重量相应的结构强度刚度，并设计运动机构，使得每一层提供一种运动维，每层之间可以相互运动，由运动伺服系统3驱动，实现由控制和测量系统5控制的多纬度运动平台系统2的运动。多纬度运动平台系统2由四层结构组成，包括横滚层、俯仰层、偏航层和侧偏层。侧偏层位于底层，滑轨安装在地面并紧固，侧偏结构在其上滑动，由固定在地面的电动缸驱动，提供侧偏移动；箭头指示移动轴向；其他的运动结构安装其上部，如图2所示。偏航层用垂直的转动轴安装在低层结构上，提供偏航转动，转动轴线垂直低层的滑动移动轴向；横滚层和俯仰层的运动结构安装其上部；两侧带孔的支座用于安装上层的俯仰层结构的转轴，用与其固定的电动缸驱动上层绕转轴转动，如图3所示。俯仰层用水平的转动轴安装在下层的偏航层结构上，通过偏航层上的电动缸伸缩动力提供俯仰转动，横滚层结构安装在其带孔的支座上，用与其固定的电动缸驱动上层绕转动轴转动，如图4所示。横滚层置于顶层，用水平的转动轴安装在下层的俯仰层结构上，通过俯仰层上的电动缸伸缩动力提供横滚转动；在本层结构上还可以安装测试设备，安装信号源模拟设备，安装保障人员工作安全的设备等，如图5所示。横滚层设计在顶层是因为无人机系统1的重量加上顶层结构的重量比较轻，适合横滚的动态响应需要；侧偏层设计在底层，适合大重量的移动相应控制；每一层都设计了防止侧翻的运动支撑点，保证无人机系统1运动倾斜时的重心投影点落在其中；选择电动缸为驱动器，根据需用功率配装一个或多个，缸体固定在下一层的结构上，缸杆固定在上一层的运动轴上，同样设计固定了位移传感器或角位移传感器；顶层安装被测对象，提供运动响应最快的运动维；底层提供平移维，每一层的最外承力支撑点都在被测对象运动重心的投影点以外，保证不发生倾倒破坏。典型的多纬度运动平台系统2每一层的转动轴线设计以水平面比较具有这样的相互关系：顶层设置横滚轴，横滚轴线与俯仰轴线垂直并与偏航轴线垂直；横滚轴线和俯仰轴线与偏航轴垂直；偏航轴线与侧偏滑向轴线垂直。运动伺服系统3由电力、气压或液压提供驱动力，实现由控制和测量系统5控制的多纬度运动平台系统2的运动，其运动响应满足运动响应速率和位置重复性精度要求，运动伺服系统3的每一层的伺服机构分别与上层的运动结构和下层的刚性结构连接，实现上层结构相对下层结构运动；运动伺服系统3与控制和测量系统5连接，按照控制和测量系统5的控制逻辑流程驱动每层结构的运动；为了提供闭环控制，可以使用运动位置传感器。信号源模拟系统4提供模拟运动的信号数据，与被测试的无人机系统1或控制和测量系统5连接，提供检查或仿真所需信息。信号源模拟系统4由多种信号模拟源组成，采用不同方法为被测对象的功能分系统提供模拟运动或电磁信号或力学载荷等信息数据，通过机械或电气接口与被测试对象或控制和测量系统5连接，提供检查或仿真所需信息；典型的信号源包括速度信息、位置信息、力或应力信息、无线电信息、目标背景信息等。控制和测量系统5由计算机系统和测量传感器接口组成，根据试验要求提供一定的逻辑流程控制，对无人机系统1提供控制指令或测量，其中，测量系统起到测量数据或提供闭环控制的反馈信号；当控制流程是按照执行预先设计的试验检查运动模态或飞行航线时，由控制和测量系统5提供预先设计的控制指令驱动运动伺服系统3运动；当控制流程是按照执行被测对象上跟踪系统所提供的跟踪信息驱动飞行时，由控制和测量系统5按照接收自飞行器的实时跟踪控制指令驱动运动伺服系统3运动。仿真参数记录和显示系统6由计算机系统，记录器和显示屏组成，为适应不同被测对象设备在接口方面的差异，在机械或电气接口上可设计适用多种接口的多接口适配器；与无人机系统1、控制和测量系统5或信号源模拟系统4连接，提供参数记录和实时显示以及迭加的背景信息，其中三维电子地图等部分数据可以预先安装。试验室环境系统7根据试验供给需要配置风水电气，照明；提供试验设备安装场地，包括必要时采用地坑降低设备高度；重物移动装置如吊装或倾斜坡道；建筑顶棚的防护和透波设施；设备保管场地，人员操作场地和必要的安全保障设施；前述各分系统及其相关设备安装在其中，提供设备布置和使用的试验室内条件及其相应的信号模拟环境。本例中，信号源模拟系统4提供GPS模拟器，大气数据计算机高度速度模拟信号，翼面或舵面的加载，无人机系统的发电机不用真实发动机带动，避免噪音和振动干扰，改用电磁屏蔽的电动机带动。在试验室环境系统7的屋顶一部分做成透波材料的结构，卫星信号能够穿透到试验试内；信号源连接到无人机系统1、控制和测量系统5和仿真参数记录和显示系统6中。控制和测量系统5和仿真参数记录和显示系统6采用计算机系统实现，记录器满足记录时间要求和接口类型要求；试验参数显示在屏幕上实时更新，多屏显示并带了三维数字地图背景；在试验室环境系统7内安装了移动的红外信号靶标，用来引导和检查光电设备的跟踪锁定性能；用市电转换机载设备的电源供给被测对象和试验设备。

本发明可以承担以下单项试验测试验证和研究：1、导航与飞行控制系统，含伺服运动、杆力杆位移及其应力测量。2、组合导航系统及航姿系统故障切换试验检查。3、着陆复飞试验检查。4、测控系统卫星中继通信锁定与重捕性能。5、测控系统中断自动返航试验检查。6、着舰控制及其导引控制试验检查。7、变姿态燃油系统供输油特性测试。8、光电跟踪性能测试。9、SAR伺服控制性能测试。10、其他测试。为了进行飞行故障试验分析，针对飞行故障，进行单项试验测试，实现分析和排除验证的目的。

实施例2。无人机飞行全过程仿真验证和研究。本例的仿真试验系统与实施例1相同，在控制和测量系统5中加载飞行航线数据并转换为对多纬度运动平台系统2驱动的分量控制指令，连续的组合驱动模拟无人机的航线飞行，实现飞行仿真试验或研究环境；试验中，同时记录多纬度运动平台系统2运动和无人机的运动，并进行差异比较；分析无人机各系统工作状况，分析数据的关联性或问题。飞行航线数据可以选择实际飞行的典型数据以作为验证分析，或可以是典型的理论航线数据以便研究避免进行风险的实际飞行。

实施例3。无人机接受引导控制的飞行验证和研究。本例的仿真试验系统与实施例1相同，改变控制模式，类似反向控制，将实施例1的由控制和测量系统5的预先编程控制，改为由无人机上的目标光电探测器跟踪移动目标，并按控制律提供控制指令给控制和测量系统5驱动多纬度运动平台系统2运动模拟引导无人机飞行；其中，根据跟踪飞行控制需要可以增加补充的控制信息，如通信数据链，引导雷达信息源；控制源不同了，仿真试验系统的用途也不同，同于验证无人机跟踪移动目标的能力，如空中加油，编队飞行或空中格斗飞行，引导无人机着舰等，飞船对接，舰船靠拢，碰撞攻击等。

本发明的实施方式不限于上述实施例，在不脱离本发明宗旨的前提下做出的各种变化均属于本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种无人机系统仿真测试方法，其特征在于：它将被测试的无人机系统安装在多纬度运动平台系统上，通过多纬度运动平台系统提供无人机系统的多维度运动；通过信号源模拟系统为被测试的无人机系统提供模拟运动的信号数据；通过控制和测量系统提供运动仿真的控制逻辑流程以及平台运动量闭环测量和对无人机系统的相应测量；通过运动伺服系统提供多纬度运动平台系统运动所需的驱动源，通过仿真参数记录和显示系统提供参数记录和实时显示以及迭加的背景信息。

2.根据权利要求1所述的无人机系统仿真测试方法，其特征在于：它对被测试的无人机系统通过控制和测量系统的预先编写的控制逻辑流程驱动运动伺服系统和多纬度运动平台系统进行一维的运动试验检查或进行多维的组合运动检查或仿真或者是根据飞行航线设计进行连续的运动检查和仿真试验。

3.根据权利要求1所述的无人机系统仿真测试方法，其特征在于：它根据被测试的无人机系统上的传感器和控制逻辑流程提供运动控制数据由控制和测量系统驱动多纬度运动平台系统进行跟随运动并进行运动检查和仿真试验。

4.一种无人机系统仿真试验系统，包括多纬度运动平台系统(2)、运动伺服系统(3)、信号源模拟系统(4)、控制和测量系统(5)、仿真参数记录和显示系统(6)和试验室环境系统(7)，其特征在于：所述的多纬度运动平台系统(2)、运动伺服系统(3)、信号源模拟系统(4)、控制和测量系统(5)、仿真参数记录和显示系统(6)装在试验室环境系统(7)中；被测试的无人机系统(1)安装在多纬度运动平台系统(2)的顶层上并与信号源模拟系统(4)、控制和测量系统(5)连接；运动伺服系统(3)与多纬度运动平台系统(2)和控制和测量系统(5)连接；仿真参数记录和显示系统(6)与无人机系统(1)、控制和测量系统(5)或信号源模拟系统(4)连接。

5.根据权利要求4所述的无人机系统仿真试验系统，其特征在于：所述的多纬度运动平台系统(2)由多层结构组成，每一层的运动机构分别与运动伺服系统(3)连接。

6.根据权利要求4所述的无人机系统仿真试验系统，其特征在于：所述的运动伺服系统(3)由横滚层、俯仰层、偏航层和侧偏层四层结构组成。

7.根据权利要求4所述的无人机系统仿真试验系统，其特征在于：所述的信号源模拟系统(4)由多种信号模拟源组成并通过机械或电气接口与被测试的无人机系统(1)或控制和测量系统(5)连接。

8.根据权利要求4所述的无人机系统仿真试验系统，其特征在于：所述的控制和测量系统(5)由计算机系统和测量传感器接口组成，控制和测量系统(5)与运动伺服系统(3)、仿真参数记录和显示系统(6)或信号源模拟系统(4)连接。

9.根据权利要求4所述的无人机系统仿真试验系统，其特征在于：所述的仿真参数记录和显示系统(6)由计算机系统、记录器和显示屏组成。

10.根据权利要求4所述的无人机系统仿真试验系统，其特征在于：所述的试验室环境系统(7)由风水电气、照明、试验设备安装场地、重物移动装置、建筑顶棚的防护和透波设施、设备保管场地以及人员操作场地和必要的安全保障设施组成。

Images