CN102147987A

CN102147987A - 飞行器导航、制导与控制技术教学实验装置

Info

Publication number: CN102147987A
Application number: CN 201110096602
Authority: CN
Inventors: 曾庆华; 罗世彬; 黄哲志; 董荣华; 杨乐; 郭振云
Original assignee: National University of Defense Technology
Current assignee: National University of Defense Technology
Priority date: 2011-04-18
Filing date: 2011-04-18
Publication date: 2011-08-10
Anticipated expiration: 2031-04-18
Also published as: CN102147987B

Abstract

一种飞行器导航、制导与控制技术教学实验装置，包括弹载控制器、实时任务管理子系统、弹体结构、电动转台、用户接口子系统和学生实验PC机。各模块间采用串口、数字I/O、以太网或无线电等连接通信；弹载控制器可装入电动转台或弹体结构中，并通过无线电或串口与实时任务管理子系统通信。弹载控制器和实时任务管理子系统通过软硬件的设计，实现惯组、舵机、数字I/O、等效器、串口和网口等实验资源的配置。本实验装置既有开展飞行器的原理演示、敏感装置、执行机构、弹载控制器、控制系统综合等模块实验的功能，也可作为用户进行自主设计、研究的实验平台。本发明具有结构简单紧凑、成本低廉、内容齐全、功能集成度高、操作简便、适用范围广等优点。

Description

飞行器导航、制导与控制技术教学实验装置

技术领域

本发明主要涉及到航空航天的实验设备领域，特指一种导航、制导与控制技术实验教学仪器，主要是面向高校飞行器设计专业、导航/制导控制专业教学及研究、培训时应用，具备开设飞行器的原理演示实验模块、敏感装置实验模块、执行机构实验模块、弹载控制器实验模块、控制系统综合实验模块和用户自主设计实验模块等功能，可供学生在组件级、系统级和试验评估级三个层次上进行实验。

背景技术

进入21世纪，航空航天技术已从我国优先发展的战略技术高度获得了全社会的广泛认同，与航空航天技术相应的高等教育和企业培训教育也发生了翻天覆地的变化，例如，各个高等院校纷纷建立航空/航天学院或相关专业。此外，随着航空航天技术的迅猛发展，过于偏重理论的传统教学方式也受到了极大挑战。一方面，航空航天企业需要大量的飞行器设计、导航/制导控制等方面的专业技术人才；另一方面，各高等院校输送给航空航天企业的人才和工程实践活动脱节较远。有很多学生从本科阶段就开始从事飞行器设计或制导控制等相关专业的学习、研究，但是，直至博士阶段，他们都很少接触实际的导航/制导控制系统和相关的测试、仿真评估方法。进入企业后，这种状况严重制约了他们的研发活动。相关高等院校和航空航天企业越来越重视实验教学或岗前实践培训问题，但是，从目前国内、外的情况来看，导航、制导和控制技术实践性教学体系很不完备，教学实验仪器也非常缺乏。为了解决长期困扰飞行器设计相关专业的实验教学问题，国内、外各高等院校纷纷建立了制导控制实验室、导航实验室或半实物仿真实验室等，旨在加强学生实际动手能力的培养。

公知的导航、制导和控制技术教学实验装置大都依托科研实验环境，或按照科研实验环境的结构组合搭建。即使是欧美名校，由于其教学经费投入多，专业学习实践保障条件和体制完善，实验项目的设计主题来源于科研，相关教学实验装置往往和科研结合更为紧密，实验器材多、杂、专，学生选择性和自主性强，实验教学活动往往以小组形式组织，从零开始完成一个设计主题的项目任务，对学生综合素质和实验室的配套管理要求都很高。当学生人数较少，经费充足，与导航/制导控制相关的其它专业知识实验教学效果良好，实验学时数又较多时，这种培养模式有较大优势。但是，由于我国的具体国情是：教学、科研经费失衡，教学实践活动经费投入较少，受高等教育的学生人数绝对数量很大，特别是，近年来航空航天相关专业的高等教育规模扩展很快，而绝大部分高校只能用数量有限的科研实验条件开展专业实验教学，最为典型的就是建立一套教学和科研共用的半实物仿真试验环境。这些是目前我国高校建设导航、制导和控制技术实验室及组织相关教学实验所普遍采取的方法。

但是，利用这种模式所建成的导航、制导和控制技术实验室存在一系列问题，主要表现

1.由于实验设备采用科研实验环境或依据其结构进行搭建，设备造价普遍很高，台套数难以保证，且这类设备对使用者的操作要求高，学生很难参与到实验中来，导致这类实验停留在演示层面；

2.缺乏实验内容的系统性设计和专用实验模块的开发，不能按教学实验大纲系统地安排实验，仅靠零散的导航/制导控制设备或针对性很强的专业级试验系统进行实验，直接导致实验内容不齐全、体系不完备，各实验内容之间联系松散，实验效果不理想。由于我国教育经费投入小、学生数量多、各院校基础参差不齐、实验保障条件不能得到全面保证，欧美培养模式也不太适合我国现有国情，在相当长的一段时间内，大部分高校较难按照欧美培养模式开展实验教学工作，特别是学员人数较多的本科、硕士研究生实验教学；

3.缺乏专用实验操作软件，操作使用复杂，专业性强，实验中编程工作量大、相关技术(如：电子工程、控制系统、程序设计等)要求较高，学生运用专业理论知识进行实验研究时额外工作量过大，实验效率低。

发明内容

本发明要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种结构简单紧凑、成本低廉、内容齐全、功能集成度高、操作简便、适用范围广的飞行器导航、制导与控制技术教学实验装置。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种飞行器导航、制导与控制技术教学实验装置，其特征在于：包括弹载控制器、弹体结构、电动转台、实时任务管理子系统、用户接口子系统和学生实验PC机；所述弹载控制器装入电动转台或弹体结构中并与实时任务管理子系统进行信息交换，所述电动转台与实时任务管理子系统中的电动转台控制器相连，所述实时任务管理子系统通过接口单元与用户接口子系统相连，所述用户接口子系统通过实验接口与一台以上的学生实验PC机连接，所述实时任务管理子系统用来进行飞行器空间运动模拟、转台运动控制、发送舵控指令等操作并通过无线方式或串行接口方式实时采集弹载控制器信息；所述弹载控制器和实时任务管理子系统中，通过实验资源的配置管理，均实现根据不同实验内容对实验资源的调度、管理和使用；所述教学实验装置可在组件级、系统级和试验评估级三个不同层次上组织实验项目。

所述弹载控制器装入电动转台中时，弹载控制器通过无线通讯单元与实时任务管理子系统进行信息交换以完成惯组在回路或全产品在回路的测试和仿真实验。

所述弹载控制器装入弹体结构中时，所述弹载控制器通过串口通讯单元或无线通讯单元或模拟、数字接口单元与实时任务管理子系统进行信息交换以完成舵机在回路的测试和仿真实验。

所述弹体结构上安装有用来直观地演示飞行器的飞行时序的信号指示灯。

所述学生实验PC机上安装实验装置软件系统中的测试实验软件和Simulink支持工具包。

所述实验项目包括：原理演示实验、加速度计标定实验、陀螺标定实验、陀螺性能测试实验、捷联惯导解算实验、舵机极性测试实验、舵机静态指标测试实验、舵机时域响应实验、舵机频域响应实验、弹载控制器接口程序实验、制导律设计与评估实验、控制律设计与评估实验、视频制导实验、模拟飞行实验、半实物仿真实验和各种自主实验。

在上述技术方案中，弹载控制器用来完成惯性器件测试、视频信息采集、执行机构控制、时序流程控制进而完成飞行器的控制。所述弹体结构用来展示飞行器外形及其主要单机组件。所述电动转台用来完成惯组器件测试实验以及模拟飞行器姿态运动。所述实时任务管理子系统用来完成实验资源配置、数据交换、惯组等效器、飞行器运动仿真等功能。所述用户接口子系统实现不同学生实验PC机分时接入，开展实验。

所述弹载控制器包括MEMS惯组、无线通讯芯片、微处理器、视频装置、串口、舵机控制、舵机采集、可编程逻辑控制等模块。其中，弹载控制器采用无线通讯芯片模块实现无线传输，并通过码分多址逻辑电路的设计，实现了多台实验装置在同一个实验室的同时使用问题，从而放弃了传统的滑环连接方式和转角受限的有线连接方式，采用普通旋转台开展与惯组有关的实验，极大降低了系统成本。同时，可编程逻辑控制模块采用CPLD或FPGA芯片与微处理器DSP一起，通过采用VHDL硬件逻辑及DSP软件控制相结合的手段，完成了MEMS惯组、惯组等效器、三路航模舵机、视频装置和导弹飞行时序信号驱动电路等实验资源的配置管理。

所述实时任务管理子系统是一个具有电动转台控制器、实时仿真平台、实时采集控制器、无线通讯芯片、舵机控制接口、舵偏采集接口和可编程逻辑控制等模块的任务管理模块。

所述弹体结构是一个具有导引头、常规弹头、弹载控制器、发动机等模装件以及飞行时序指示灯的飞行器结构件，同时还安装了三路航模舵机及三路舵偏角传感器。弹体结构内部的模装件，可向学生演示飞行器的主要组成部件；安装在弹体表面的飞行时序指示灯，直观地演示飞行器的常规飞行时序。

所述用户接口子系统是一个具有实验资源管理器、单用户实验接口、多用户实验接口的模块。该模块的提供，使四个学生能够方便地分时调度使用本实验装置进行实验，从而降低实验装置成本。当经费充足，或学生人数不多时，也可只使用单用户实验接口，由一个学生独立使用实验装置，提高实验效率。

所述电动转台是一台具有飞行器姿态模拟的电动旋转台。该转台由三个相对独立的单轴转台组合拼装而成，没有传统的用户信号滑环结构；为保证飞行器姿态运动的真实模拟和角速率陀螺实验的开设，转台均采用伺服电机驱动。

实验装置中安装有实验软件系统，所述实验软件系统包括测试实验软件(A)、Simulink支持工具包(B)、实时任务管理软件(C)和弹载控制器软件(D)。

其中，所述测试实验软件运行在学生实验用PC机上，由它完成实验内容的选择、实验操作、数据记录、用户自主设计实验等功能。所述Simulink支持工具包由测试实验软件来调用和管理，包括典型实验模型库、用户自主设计模型库、标准模型库和辅助分析库，为学生提供一系列实验管理、数据采集、分析处理等方面的工具包。所述实时任务管理软件运行在实时任务管理子系统中，根据不同实验要求，进行不同模式的配置，完成实验装置底层硬件驱动、实时控制与采集、等效器功能模拟、仿真模型解算等功能。所述弹载控制器软件运行在弹载控制器中，具有无线通讯接口和串行通讯接口两种模式，负责弹载设备的实时控制、信息采集与处理等功能。

上述各部件的连接关系为：根据不同的实验需求，弹载控制器与实时任务管理子系统的连接通信方式有无线电和串口两种方式，它和弹载控制器的两种安装方式相对应。一种方式是安装在电动转台中，与实时任务管理子系统通过无线方式进行通信；另一种方式，安装在弹体结构中，与实时任务管理子系统通过串口连接的方式进行通信。实时任务管理子系统通过RS232串口控制电动转台。用户接口子系统通过以太网与实时任务管理子系统通信。

所述电动转台与实时任务管理子系统通过RS232串口进行通信连接。

所述的弹体结构与实时任务管理子系统的数字接口相连。

所述实时任务管理子系统与用户接口子系统通过以太网连接。

所述用户接口子系统与学生实验PC机通过以太网连接。

本发明采用“MEMS惯组+航模舵机+无用户信号滑环电动转台+无线电通信”的硬件组成方案，综合地降低系统成本；选用LabWindows/CVI设计用户操作界面，编制一系列实验模型的Simulink支持工具包、利用Simulink自动代码生成和快速原型技术--依托PC104实时仿真平台的软件设计方案，通过多个开发工具软件的有机组合，以及设计代码的编写，有效减少了学生实验过程中的编程工作量，大大降低了编程难度，突出了专业实验教学的需要。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1、本发明结构简单紧凑、成本低廉、内容齐全、功能集成度高、操作简便、适用范围广，其针对原理演示实验模块、敏感装置实验模块、执行机构实验模块、弹载控制器实验模块、控制系统综合实验模块和用户自主实验模块的实验需求，选用弹载控制器、MEMS惯组、航模舵机、惯组等效器、加速度等效器、时序控制电路、视频装置等作为基本的实验资源，并将这些实验资源与制导控制系统的测试、仿真技术结合起来，以实验模块形式组合成一套专业实验仪器，实现了从组件级、系统级到试验评估级三个层次的新型导航、制导控制技术实验室的构建方法，实验内容基本覆盖了目前常用的飞行控制系统组件和相应的测试试验和仿真评估方法，为导航、制导控制专业和飞行器设计专业提供一套成本低、实验内容齐全、体系完备、功能强的开放式实验装置。在此实验装置上，可以方便地开设原理演示实验、加速度计标定实验、陀螺标定实验、陀螺性能测试实验、捷联惯导解算实验、舵机极性测试实验、舵机静态指标测试实验、舵机时域响应实验、舵机频域响应实验、弹载控制器接口程序实验、制导律设计与评估实验、控制律设计与评估实验、视频制导实验、模拟飞行实验、半实物仿真实验和自主实验等，实验内容涵盖了导航、制导控制技术的常用设备、设计分析方法和测试实验方法，能够全面加强学生实践性环节的培养；

2、利用本发明的实验装置及实验测试软件，使用者(学生)可按不同实验内容进行实验模块、软件配置，方便地进行导航/制导控制技术的各种实验；特别是，系统中采用了自动代码生成技术，能够方便处理图形化编程工具Simulink编制的实验程序，解决了导航、制导与控制技术实验中的编程工作量大、硬件接口复杂、相关技术要求高等难题，使使用者(学生)能够专注于专业理论知识的运用，令课程实验效率明显提高。

附图说明

图1是本发明整体结构的框架结构示意图；

图2是本发明具体实施例中的框架结构示意图；

图3是本发明具体实施例运行时测试实验软件主界面示意图；

图4是本发明具体实施例中Simulink支持工具包组成的框架示意图；

图5是本发明具体实施例运行时测试实验软件流程示意图；

图6是本发明具体实施例中弹载控制器执行时的流程示意图；

图7是本发明中实时采集控制程序的流程示意图；

图8是本发明具体实施例的结构示意图；

图9是本发明具体实施例中弹体结构的结构示意图；

图10是本发明具体实施例中电动转台的结构示意图；

图11是本发明具体实施例中弹载控制器的结构示意图；

图12是本发明具体实施例中实时任务管理子系统的电路原理局部图一；

图13是本发明具体实施例中实时任务管理子系统的电路原理局部图二；

图14是本发明具体实施例中实时任务管理子系统的电路原理局部图三；

图15是本发明具体实施例中实时任务管理子系统的电路原理局部图四；

图16是本发明具体实施例中实时任务管理子系统的电路原理局部图五；

图17是本发明具体实施例中弹载控制器的电路原理局部图一；

图18是本发明具体实施例中弹载控制器的电路原理局部图二；

图19是本发明具体实施例中弹载控制器的电路原理局部图三；

图20是本发明具体实施例中弹载控制器的电路原理局部图四；

图21是本发明具体实施例中弹载控制器的电路原理局部图五。

具体实施方式

以下将结合说明书附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。

如图1～图11所示，图1是本发明整体结构的框架结构示意图，由弹载控制器1、实时任务管理子系统4、弹体结构2、电动转台3、用户接口子系统5和学生实验PC机6组成。本发明针对原理演示实验模块、敏感装置实验模块、执行机构实验模块、弹载控制器实验模块、控制系统综合实验模块和用户自主实验模块的实验需求，将MEMS惯组、航模舵机、惯组等效器、弹体运动仿真器等实验资源在各个子系统中进行合理配置和设计，采用串行通讯、无线通讯、模拟、数字I/O和网络接口等多种方式进行子系统间信息交换，借助实时代码自动生成技术，为飞行器设计学科和导航制导与控制学科的专业教学提供了一套造价低、实验内容齐全、体系完备的开放式实验装置。

而实验软件系统包括测试实验软件(A)、Simulink支持工具包(B)、实时任务管理软件(C)和弹载控制器软件(D)。其中，测试实验软件运行在学生实验PC机6上，由它完成实验内容的选择、实验操作控制、数据采集记录、用户自主设计实验等功能。Simulink支持工具包由测试实验软件来调用和管理，包括典型实验模型库、用户自主设计模型库、标准模型库和辅助分析库，为学生提供一系列实验管理、数据采集、分析处理等方面的工具包。实时任务管理软件运行在实时任务管理子系统4中，根据不同的实验，进行不同模式的配置，完成实验装置底层硬件驱动、实时控制与采集、等效器功能模拟、仿真模型解算等功能。弹载控制器软件运行在弹载控制器1中，具有无线通讯接口和串行通讯接口两种模式，负责弹载设备的实时控制、信息采集与处理等功能。

弹载控制器1装入电动转台3中时，它通过无线通讯方式与实时任务管理子系统4进行信息交换，从而可完成惯组在回路的测试和仿真实验或全产品在回路的测试和仿真实验。即采用码分多址技术解决了同一个实验室中多台实验装置同时使用的问题，从而放弃了传统的滑环连接方式或转动角度范围受限的有线连接方式，采用普通旋转台即可开展导航制导方面的教学实验，降低了系统成本，提高了教学实验的安全性和可靠性。

实时任务管理子系统4的硬件平台可以采用基于MathWorks公司的xPC目标系统PC104实时模块，并在实验装置软件系统中提供了一系列Simulink支持工具包，学生能够方便选用十五个实验项目的典型实验程序，或在自主实验模式下，利用Simulink软件编制实验程序。通过实验装置软件系统将实验程序自动下载到实时任务管理子系统4，自动运行并实时收集实验数据，从而解决了导航、制导与控制技术实验中编程工作量大、相关技术要求较高等难题，使学生能够专注于专业理论的学习。

进一步，在弹载控制器1和实时任务管理子系统4中，设计了特定的实验资源配置管理电路，通过实验资源配置软件完成了不同实验内容对实验资源的调度使用，实现了实验模式管理，从硬件设计上确保了组件级、系统级和试验评估级三个不同层次的实验组织。

进一步，实时任务管理子系统4通过网络接口、串行接口或USB接口与用户接口子系统5相连。用户接口子系统5可以通过单用户实验接口与单台学生实验PC机6连接；也可以选择多用户实验接口与至多2～4台学生实验PC机6连接。

进一步，在学生实验PC机6上安装有实验装置软件系统中的测试实验软件和Simulink支持工具包，学生可以选择典型实验模式下提供的实验程序，或利用Simulink软件编制实验程序。通过实验装置软件系统提供的自动代码生成工具，方便地将实验程序自动下载到实时任务管理子系统4上，实时任务管理子系统4负责飞行器空间运动模拟、转台运动控制、发送舵控指令等操作，并通过无线方式或串行接口方式实时采集弹载控制器1信息，从而可开设五大实验模块十六个实验项目，实验项目包括：原理演示实验、加速度计标定实验、陀螺标定实验、陀螺性能测试实验、捷联惯导解算实验、舵机极性测试实验、舵机静态指标测试实验、舵机时域响应实验、舵机频域响应实验、弹载控制器接口程序实验、制导律设计与评估实验、控制律设计与评估实验、视频制导实验、模拟飞行实验、半实物仿真实验和各种自主实验。在自主实验中，学生可利用实验装置开放的硬件、软件资源进行自主设计性实验，使得系统具有很强的扩展性和灵活性。

在图1中，学生实验PC机6安装运行测试软件(A)和Simulink支持工具包(B)。

在图1中，实时任务管理子系统4运行实时任务管理软件(C)。

在图1中，弹载控制器1运行弹载控制器软件(D)。

在图1中，弹载控制器1可安装入弹体结构2或电动转台3中，并通过RS232串口或425MHz～440MHz的无线电与实时任务管理子系统4通信。

在图2中，弹体结构2与实时任务管理子系统4通过数字I/O，实现舵机控制接口和舵机采集接口，完成三路航模舵机的控制和三路舵偏角传感器采集。

在图2中，实时任务管理子系统4通过RS232接口控制电动转台3。

在图2中，实时任务管理子系统4与用户接口子系统5通过以太网连接通信。

图3为本发明测试实验软件的主界面示意图，有原理演示、敏感装置、执行机构、弹载控制器、控制系统综合和用户自主五个实验模块。

在图5中，本实验装置的实验测试软件的实验操作执行流程如下：

(1)启动软件用户选择实验任务，即选择五个实验模块中的具体某个实验；

(2)载入对应的实验模型；

(3)完成相关的实验设置；

(4)将实验程序代码下载到实时任务子系统4的仿真平台；

(5)开始实验，完成实验数据采集以及数据显示；

(6)保存实验数据，实验结束，返回主界面。

图4中的典型实验模型库包括了敏感装置实验模块、执行机构实验模块、弹载控制器实验模块及控制系统综合实验模块中的各实验的Simulink模型。辅助分析模型库提供了滤波模型、统计模型、信号处理模型、系统辨识模型等，便于用户对实验数据进行实验数据处理分析。标准模型库涵盖了大气模型、动力系统模型、地球模型、气动模型、实验装置硬件模型等与飞行控制系统相关的标准模型，便于用户自主设计开发。

图6为本发明具体实施例中弹载控制器1执行时的流程示意图。弹载控制器1的程序通过串口进行模式配置，实验模式nMode有0和1两种。模式nMode＝0时，对应弹载控制器1安装在电动转台3中，主要对实验资源：串口、无线通信、惯组、视频装置进行配置、调度，此时弹载控制器1主要完成惯组数据或视频信号采集功能。模式nMode＝1时，对应弹载控制器安1装在弹体结构2中，均对串口、无线通信、惯组、视频装置、舵机、时序驱动信号驱动电路等进行配置、调度，此时弹载控制器1主要完成惯组数据或视频信号采集，舵机控制、采集，时序信号驱动电路等功能。

图7为本发明具体实施例中实时任务管理子系统4执行时的流程示意图。实时任务管理子系统程序是根据用户在学生PC实验机6的实验选择完成模式配置，实验模式nMode的值为0、1、2和3，对应有1、2、3、4四种模式。nMode＝0(模式1)时，实时任务管理子系统4主要对网口、串口、无线通信、视频接收等实验资源进行配置、调度。nMode＝1(模式2)时，实时任务管理子系统4对网口、串口、舵机等实验资源进行配置、调度。nMode＝2(模式3)时，实时任务管理子系统4均对舵机、串口、网口、时序信号驱动电路、视频接收、等实验资源进行配置、调度。nMode＝3(模式4)时，实时任务管理子系统4对时序信号驱动电路、网口、串口等实验资源进行配置、调度。

因此，本发明通过弹载控制器1、实时任务管理子系统4的硬件、软件的综合设计，利用实验模式配置管理功能，可以在五大实验模块的十六个实验项目之间切换，方便开设出飞行器控制系统原理演示实验、加速度计标定实验、陀螺标定实验、陀螺性能测试实验、捷联惯导解算实验、舵机极性测试实验、舵机静态指标测试实验、舵机时域响应实验、舵机频域响应实验、弹载控制器接口实验、制导律设计与评估实验、控制律设计与评估实验、视频制导实验、模拟飞行实验、半实物仿真实验和自主实验等实验。

图8为本发明具体实施例的结构示意图。本发明的结构由弹载控制器1、弹体结构2、电动转台3以及集成了实时任务管理子系统4和用户接口子系统5的箱体组成。

在图8中，弹载控制器1有两种安装方式：第一种方式是安装在电动转台3的产品安装平面上，可以开展敏感装置MEMS惯组的加速度计标定、陀螺标定、陀螺性能测试、捷联惯导解算等与惯组相关的实验。此时，弹载控制器1中的数据通过无线传输的方式，摒弃传统的滑环连接方式或转动范围受限的有线连接方式，从而减小了电动转台3的设计复杂程度，降低了系统成本。第二种方式是安装在弹体结构2中，可以开展舵机极性测试、舵机时域响应测试、舵机频域响应测试实验。

在图9中，弹体结构2的结构图，长度为1000mm，最大翼展为600mm，具有两个水平前翼、两个水平后翼和两个垂直尾翼，并安装了航模舵机和舵偏角传感器；在弹体表面设计安装了LED发光二极管作为常规时序信号指示灯；同时采用“Y”型支架，便于实验的演示。但本实验装置并不局限于此种结构外形的选择。

图10中，电动转台3采用“U-U-O”的结构架构，有X、Y、Z三个旋转轴，具备位置定位及速率的运动，可模拟飞行器的偏航、俯仰、滚转的姿态运动，每个旋转轴的驱动均选用伺服电机。用户开展实验时，可将弹载控制器1通过夹具安装在产品安装平面中。图11中，弹载控制器1的外形结构为近似圆柱体，具有1根外置天线、1个DB-25和1个DB-15电气接口，但本实验装置并不局限于此种结构外形的选择。

图12--图16组成了本实验装置具体实施例的实时任务管理系统的电路原理图，其电路主要由实时采集控制器、实时仿真平台、转台控制器、无线收发、可编程逻辑控制、电源转换和串口电平转换等模块组成。无线收发模块与DSP处理器之间通过TTL电平的串口进行通信；DSP处理器通过U1芯片MAX232CASE转换成标准RS232电平，与实时仿真平台连接通信；实时仿真平台通过另一个标准RS232串口与转台控制模块通信；实时仿真平台通过网口经用户接口子系统5与学生实验PC机6连接通信；此外，可编程逻辑控制模块U10-(CPLD芯片)通过19位地址总线A[18..0]和16位数据总线B[15..0]与实时采集控制器模块(DSP)进行通信。

在图12中，U6为DSP处理器，型号为TI公司的TMS320F2812，具有176个引脚，但本发明的实现并不局限与此种型号的选择。U2为基于PC104的实时仿真平台模块，型号为LX-3160，但本发明的实现并不局限与此种型号的选择。U3为转台控制模块，型号为SMC6480，但本发明的实现并不局限与此种型号的选择，该模块具备手动控制和远程控制功能，PC104通过串口对该模块进行远程控制。U1实现串口电平转换，型号为MAX232CASE，将F2812的SCIA串口TTL电平转换为RS232电平，但本发明的实现并不局限与此种型号的选择。U4实现无线收发模块，信号为N608，但本发明的实现并不局限与此种型号的选择。

其中，无线收发N608模块采用频段为425MHz～440MHz，与弹载控制器的无线收发模块进行点对点的通信，并通过SCITXDB、SCIRXDB信号线进行实验装置地址码的软件设置，通过码分多址技术，防止信号的串扰，确保同一个实验室中多套实验装置的同时使用。

在图14中，U10为可编程逻辑器件EPM570T144，与实时采集控制器DSP F28112一起，实现对实验资源配置管理、调度使用。采用VHDL编程技术，对航模舵机接口、时序信号驱动电路、惯组模拟器接口、视频接收、RS232串口等进行操作。U5采用SN74ALVC164245实现舵机接口模块，具备+3.3V与+5.0V之间的电平转换的功能，U5与U10实现航模舵机的PWM控制驱动信号和反馈信号采集。U3采用PS2571-4型可作为模式选择模块，设置DI0～DI3，可实现16种模式选择。时序信号驱动电路采用ULN2803LW，实现常规时序信号指示灯的驱动控制。惯组模拟器接口、视频接收直接利用U10的对外信号引脚通过内部VHDL编程的方法来实现，该方法的优点在于仅修改VHDL程序，就可使用不同型号、接口的惯组模拟器、视频装置。本发明并不局限于上述芯片型号的选择。

图17--图21组成了本实验装置具体实施例中弹载控制器1的电路原理图，由微处理器、无线收发模块、MEMS惯组模块、电源转换模块、可编程逻辑控制模块、视频装置接口等组成。U2为处理器DSP，型号为TI公司的TMS320F2812。U11为MEMS惯性测量单元，型号为Analog Devices公司的ADIS16350，但本发明并不局限于此种型号的选择。ADIS16350是一种相对十分廉价的MEMS惯性测量器件，具有质量轻、功耗低、占空间小等优点，通过SPI接口与处理器DSPF2812进行数据通信。1U5为无线收发芯片，型号为N608，但本发明并不局限于此种型号的选择。

通过设计弹载控制器的对外接口DB-15和DB-25，与实时任务管理子系统的DB-15和DB-25之间的信号引脚一致，从而保证本实验装置能够开展全系统在回路闭环仿真实验，此时弹载控制器1主要负责惯组数据的采集，而弹体结构2的航模舵机则由实时任务管理子系统4进行驱动控制和反馈信号采集。

通过上述技术设计方案，本实验装置可以开设以下实验：

实验1--加速度计标定实验

加速度计标定实验属于敏感装置实验模块。该实验的基本原理是控制电动转台的运动到不同位置，并采集MEMS惯组中加速度计的输出数据。

1)如图1、图2和图8所示，将弹载控制器1安装在电动转台3的产品安装平面中，并将实时任务管理子系统4的转台控制模式选择开关切换到“远程控制”。

2)在学生实验PC机6中，启动测试软件--飞行控制实验装置测试软件，出现如图3的界面，点击“实验模块二：敏感装置实验”，进入软件子界面后，切换到“加速度计标定”标签页面。

3)首先点击【实验初始化】按钮，将加速度计标定实验模型编译，并通过以太网下载到实时任务管理子系统4，实时任务管理子系统4运行于模式1，并通过无线方式将弹载控制器1配置运行于无线通信模式(nMode＝0)。

4)点击【转台回零】，待电动转台的三轴均回到零位；在“转台位置”中依次按照六位置法分别设置X、Y、Z的位置，待转台运动到预设置的位置稳定5～10s后，然后设置“采集时间”，点击【数据采集】，待数据采集完毕，点击【数据保存】，可将实验数据保存成.txt格式或.dat文件。同时，用户可点击【帮助】，可查看加速度计标定实验的帮助说明文档。

实验2--陀螺标定实验

陀螺标定实验属于敏感装置实验模块。该实验的基本原理是控制电动转台的其中一轴的运动速率，并采集MEMS惯组中陀螺的输出数据。

2)在学生实验PC机6中，启动测试软件--飞行控制实验装置测试软件，出现如图3的界面，点击“实验模块二：敏感装置实验”，进入软件子界面后，切换到“陀螺标定”标签页面。

3)首先点击【实验初始化】按钮，将陀螺标定实验模型编译，并通过以太网下载到实时任务管理子系统4，实时任务管理子系统4运行于模式1，并通过无线方式将弹载控制器1配置运行于无线通信模式(nMode＝0)。

4)点击【转台回零】，待电动转台的三轴均回到零位；在“转台位置”中设置X、Y、Z的位置，依次使MEMS陀螺的X、Y、Z与Z轴平行，设置转台Z轴的转动角速率，角速率范围为-60°/s～60°/s，待转台运动角速率稳定约5～10s后，然后设置“采集时间”，点击【数据采集】，待数据采集完毕，点击【数据保存】，可将实验数据保存成.txt格式或.dat文件。同时，用户可点击【帮助】，可查看陀螺标定实验的帮助说明文档。

实验3--陀螺性能测试实验

陀螺性能实验属于敏感装置实验模块。该实验的基本原理是采集MEMS惯组中陀螺在水平静止情况下的输出数据，用户经数据处理可得到陀螺的性能参数。

2)在学生实验PC机6中，启动测试软件--飞行控制实验装置测试软件，出现如图3的界面，点击“实验模块二：敏感装置实验”，进入软件子界面后，切换到“陀螺性能测试”标签页面。

3)首先点击【实验初始化】按钮，将陀螺性能测试实验模型编译，并通过以太网下载到实时任务管理子系统4，实时任务管理子系统4运行于模式1，并通过无线方式将弹载控制器配置运行于无线通信模式(nMode＝0)。

4)点击【转台回零】，待电动转台的三轴均回到零位，然后设置“采集时间”，点击【数据采集】，待数据采集完毕，点击【数据保存】，可将实验数据保存成.txt格式或.dat文件。同时，用户可点击【帮助】，可查看陀螺性能测试实验的帮助说明文档。

实验4--捷联惯导解算实验

捷联惯导解算实验属于敏感装置实验模块。该实验利用三轴转台各轴的角速率信息以及惯组模拟器的加速度信息，从而对导航解算算法设计进行验证、评估。

2)在学生实验PC机6中，启动测试软件--飞行控制实验装置测试软件，出现如图3的界面，点击“实验模块二：敏感装置实验”，进入软件子界面后，切换到“捷联惯导解算”标签页面。

3)点击选择飞行轨迹的加速度、角速率数据，进入Simulink图形编程串口，利用本实验装置提供的Simulink支持工具包，开展捷联惯导解算模型的设计。

4)完成设计后，点击【仿真】将模型编译下载到实时仿真平台进行仿真验证、评估，并点击【保存数据】。

实验5--舵机极性测试实验

舵机极性测试实验属于执行机构实验模块。该实验模块通过向弹体结构的舵机施加正、负向的激励信号并采集其反馈，测试舵面的极性。

1)如图1、图2和图8所示，将弹载控制器1安装在弹体结构2中，并将实时任务管理子系统4的转台控制模式选择开关切换到“远程控制”。

2)在学生实验PC机6中，启动测试软件--飞行控制实验装置测试软件，出现如图3的界面，点击“实验模块三：执行机构实验”，进入软件子界面后，切换到“舵机极性测试”标签页面。

3)首先点击【实验初始化】按钮，将舵机极性测试实验模型编译，并通过以太网下载到实时任务管理子系统4，实时任务管理子系统4运行于模式2，并通过无线方式将弹载控制器1配置运行于有线与无线同时通信模式(nMode＝1)。

4)选择舵机激励信号类型为“阶跃”，并设置信号幅值和采集时间，依次对弹体结构的俯仰、偏航和滚转通道进行测试。用户可点击【帮助】，可查看舵机极性测试实验的帮助说明文档。

实验6--舵机静态指标测试实验

舵机静态指标测试实验属于执行机构实验模块。该实验模块通过向弹体结构2的舵机不同的激励信号，测试舵机的零偏、零偏稳定性、刻度因子以及刻度因子的稳定性等指标。

2)在学生实验PC机6中，启动测试软件--飞行控制实验装置测试软件，出现如图3的界面，点击“实验模块三：执行机构实验”，进入软件子界面后，切换到“舵机静态指标测试”标签页面。

3)首先点击【实验初始化】按钮，将舵机静态指标测试实验模型编译，并通过以太网下载到实时任务管理子系统4，实时任务管理子系统4运行于模式2，并通过无线方式将弹载控制器1配置运行于有线与无线同时通信模式(nMode＝1)。

4)可对俯仰、偏航、滚转三个通道依次进行零偏、零偏稳定性、刻度因子以及刻度因子的稳定性的测试。

实验7--舵机时域响应实验

舵机时域响应实验属于执行机构实验模块。该实验是通过对舵机施加阶跃信号，测试舵机的时域特性。

2)在学生实验PC机6中，启动测试软件--飞行控制实验装置测试软件，出现如图3的界面，点击“实验模块三：执行机构实验”，进入软件子界面后，切换到“舵机时域响应”标签页面。

3)首先点击【实验初始化】按钮，将舵机时域响应实验模型编译，并通过以太网下载到实时任务管理子系统4，实时任务管理子系统4运行于模式2，并通过无线方式将弹载控制器1配置运行于有线与无线同时通信模式(nMode＝1)。

4)选择“俯仰”测试通道，选择信号类型为“阶跃”，设置阶跃信号的幅值，进行弹体结构俯仰通道舵机的时域响应测试，并保存测试数据。然后类似地进行偏航、滚转通道的测试。

实验8--舵机频域响应实验

舵机频域响应实验属于执行机构实验模块。该实验是通过对舵机施加一系列的正弦信号，测试舵机的频域特性。

2)在学生实验PC机中，启动测试软件--飞行控制实验装置测试软件，出现如图3的界面，点击“实验模块三：执行机构实验”，进入软件子界面后，切换到“舵机频域响应”标签页面。

3)首先点击【实验初始化】按钮，将舵机频域响应实验模型编译，并通过以太网下载到实时任务管理子系统4，实时任务管理子系统4运行于模式2，并通过无线方式将弹载控制器1配置运行于有线与无线同时通信模式(nMode＝1)。

4)选择“俯仰”测试通道，选择信号类型为“正弦”，设置阶跃信号的幅值和频率，进行弹体结构俯仰通道舵机的频域响应测试，并保存测试数据。然后类似地进行偏航、滚转通道的测试。

实验9--制导律设计与评估实验

制导律设计与评估实验属于弹载控制器实验模块。该实验可完成对制导律的设计、评估、仿真以及验证。

2)在学生实验PC机6中，启动测试软件--飞行控制实验装置测试软件，出现如图3的界面，点击“实验模块四：弹载控制器实验”，进入软件子界面后，切换到“制导律设计与评估”标签页面。

3)用户利用Simulink支持工具包(B)进行制导律设计，编制制导律设计与评估实验模型，然后配置实验。

4)此时，实时任务管理子系统4运行实时任务管理软件(C)并工作于模式2；弹载控制器1工作于无线独立通讯模式。

5)学生在测试实验软件(A)中，采用迭代法完成标准弹道设计，并完成制导律的设计与分析。

6)控制系统运行，完成采集、保存实验数据。

7)开展仿真结果的评估分析。

实验10--弹载控制器接口程序实验

弹载控制器接口程序实验属于弹载控制器实验模块。该实验主要完成弹载控制器接口信号的正确性、可靠性的检查、验证。

1)如图1、图2和图8示，将弹载控制器1安装在弹体结构2中，并将实时任务管理子系统4的转台控制模式选择开关切换到“远程控制”。

2)在学生实验PC机6中，启动测试软件--飞行控制实验装置测试软件，出现如图3的界面，点击“实验模块四：弹载控制器实验”，进入软件子界面后，切换到“弹载控制器接口程序实验”标签页面。

3)在Simulink支持工具包(B)中加载典型实验模型库的弹载控制器接口程序实验模型，然后配置实验。

4)此时，实时任务管理子系统4运行实时任务管理软件(C)并工作于模式3；弹载控制器1采用无线通讯接口方式进行信息交换。

5)学生在测试实验软件(A)中，控制系统运行以及转台的控制，并采集、保存实验数据。

实验11--控制律设计与评估实验

控制律设计与评估实验属于弹载控制器实验模块。该实验可完成对控制律的设计、评估、仿真以及验证。

2)在学生实验PC机中6，启动测试软件--飞行控制实验装置测试软件，出现如图3的界面，点击“实验模块四：弹载控制器实验”，进入软件子界面后，切换到“控制律设计与评估实验”标签页面。

3)在学生实验用PC机6中运行测试实验软件(A)，选择实验任务为控制律设计与评估实验，学生利用Simulink支持工具包(B)进行姿态控制律设计，编制姿态控制律设计与评估实验模型，然后配置实验。

5)学生在测试实验软件(A)中，施加阶跃信号或不同频率的正弦信号到控制回路，并采集、保存实验数据，进行俯仰通道姿态控制的时域响应分析和频域响应分析。

实验12--模飞实验

模飞实验属于控制系统综合实验模块。该实验主要完成对弹载控制器1的飞行时序的正确性检查以及参数的设置加载。

2)在学生实验PC机6中，启动测试软件--飞行控制实验装置测试软件，出现如图3的界面，点击“实验模块四：弹载控制器实验”，进入软件子界面后，切换到“模飞实验”标签页面。

3)在Simulink支持工具包(B)中加载典型实验模型库的模飞实验模型，或由学生编制模飞实验模型，在软件界面中，配置实验，进行模飞时序参数设置与加载。

4)此时，实时任务管理子系统6运行实时任务管理软件(C)并工作于模式4；弹载控制器1不接入回路。

5)学生在可在弹体结构2中观察到模飞时序对应时序信号指示灯的亮灭。

6)若需重复实验，可再进行模飞时序参数设置与加载，继续开展模飞实验。

实验13--弹载控制器在回路仿真实验

弹载控制器在回路仿真实验属于控制系统综合实验模块。该实验主要完成弹载控制器1所有功能的正确性及协调性。

2)在学生实验PC机6中，启动测试软件--飞行控制实验装置测试软件，出现如图3的界面，点击“实验模块四：弹载控制器实验”，进入软件子界面后，切换到“弹载控制器在回路仿真”标签页面。

3)在在Simulink支持工具包(B)中加载典型实验模型库的弹载控制器1在回路仿真实验模型，然后进行实验相关设置。

4)此时，实时任务管理子系统6运行实时任务管理软件(C)并工作于模式3；弹载控制器1工作在无线独立通讯模式。

5)在学生实验用PC机的测试实验软件(A)中，完成电动转台(3)的初始化，检测实验装置系统状态，并采集实验数据。

实验14--视频制导实验

视频制导实验属于控制系统综合实验模块。该实验主要完成视频制导的设计、仿真验证评估。

1)如图1、图2和图8所示，将弹载控制器1安装在弹体结构2中，同时无线摄像头(视频装置)安装在弹载控制器1中，并将实时任务管理子系统4的转台控制模式选择开关切换到“远程控制”。

2)在学生实验PC机6中，启动测试软件--飞行控制实验装置测试软件，出现如图3的界面，点击“实验模块四：弹载控制器实验”，进入软件子界面后，切换到“视频制导实验”标签页面。

3)利用Simulink支持工具包(B)进行视频制导设计，编制视频制导实验模型，配置实验。视频装置采集到的目标信息通过无线通讯方式发送至实时任务管理子系统4，实时任务管理子系统4上将运行视频制导实验模型进行视频制导解算，控制电动转台3的姿态运动，确保飞行器锁定跟踪目标。

4)在学生实验用PC机的测试实验软件(A)中，完成电动转台3的初始化，启动视频制导，采集实验数据，进行视频制导效果评估。

实验15--全系统闭环仿真实验

全系统闭环仿真实验属于控制系统综合实验模块。该实验模块可完成包括弹载控制器1、舵机、MEMS惯组等飞行控制组件的全系统闭环仿真。

2)在学生实验PC机6中，启动测试软件--飞行控制实验装置测试软件，出现如图3的界面，点击“实验模块三：执行机构实验”，进入软件子界面后，切换到“全系统闭环仿真实验”标签页面。

3)在Simulink支持工具包(B)中加载典型实验模型库的全系统闭环仿真实验模型，然后进行实验相关设置。

5)在学生实验用PC机的测试实验软件(A)中，完成电动转台3上电、回零的初始化操作，检测实验装置系统状态，点击【启动仿真】开始实验，并采集数据。

实验16--用户自主设计实验

用户可根据需求，在本发明实验装置中自主进行其他实验的设计。

1)在测试实验软件中，选择“实验模块五：用户自主设计实验”。

2)点击【创建新实验】，进入Simulink图形化编程界面。

3)利用本设计的Simulink支持工具包(B)的标准模型库以及运动模型、设备模型、坐标变换模型、大气参数模型等，开展设计。

完成实验设计后，根据新实验的需求配置硬件。用户可点击【帮助】，查看用户自主设计实验帮助说明文档。

以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。

Claims

1.一种飞行器导航、制导与控制技术教学实验装置，其特征在于：包括弹载控制器(1)、弹体结构(2)、电动转台(3)、实时任务管理子系统(4)、用户接口子系统(5)和学生实验PC机(6)；所述弹载控制器(1)装入电动转台(3)或弹体结构(2)中并与实时任务管理子系统(4)进行信息交换；所述电动转台(3)与实时任务管理子系统(4)中的电动转台控制器相连；所述实时任务管理子系统(4)通过接口单元与用户接口子系统(5)相连，所述用户接口子系统(5)通过实验接口与一台以上的学生实验PC机(6)连接；所述实时任务管理子系统(4)用来实现飞行器空间运动模拟、转台运动控制、发送舵控指令、舵偏角信号采集、惯组等效器功能，并通过无线方式或串行接口方式实时采集弹载控制器信息；所述弹载控制器(1)和实时任务管理子系统(4)中，通过实验资源的配置管理，根据不同实验内容对惯组等效器、舵机、MEMS惯组、视频装置、串口、网口和数字I/O实验资源进行配置管理、调度使用；所述教学实验装置在组件级、系统级和试验评估级三个不同层次上组织实验项目。

2.根据权利要求1所述的飞行器导航、制导与控制技术教学实验装置，其特征在于：所述弹载控制器(1)装入电动转台(3)中时，弹载控制器(1)通过无线通讯单元与实时任务管理子系统(4)进行信息交换以完成惯组在回路或全产品在回路的测试和仿真实验。

3.根据权利要求1所述的飞行器导航、制导与控制技术教学实验装置，其特征在于：所述弹载控制器(1)装入弹体结构(2)中时，所述弹载控制器(1)通过串口通讯单元或无线通讯单元或模拟、数字接口单元与实时任务管理子系统(4)进行信息交换以完成舵机在回路的测试和仿真实验。

4.根据权利要求1所述的飞行器导航、制导与控制技术教学实验装置，其特征在于：所述弹体结构(2)上安装有用来直观地演示飞行器飞行时序的信号指示灯。

5.根据权利要求1或2或3或4所述的飞行器导航、制导与控制技术教学实验装置，其特征在于：所述学生实验PC机(6)上安装有实验装置软件系统中的测试实验软件和Simulink支持工具包。

6.根据权利要求1或2或3或4所述的飞行器导航、制导与控制技术教学实验装置，其特征在于所述实验项目包括：原理演示实验、加速度计标定实验、陀螺标定实验、陀螺性能测试实验、捷联惯导解算实验、舵机极性测试实验、舵机静态指标测试实验、舵机时域响应实验、舵机频域响应实验、弹载控制器接口程序实验、制导律设计与评估实验、控制律设计与评估实验、视频制导实验、模拟飞行实验、半实物仿真实验和各种用户自主实验。

7.根据权利要求1或2或3或4所述的飞行器导航、制导与控制技术教学实验装置，其特征在于：所述弹载控制器(1)包括MEMS惯组、无线通讯芯片、微处理器、视频装置、串口、舵机控制、舵机采集和可编程逻辑控制模块；所述弹载控制器(1)采用无线通讯芯片模块实现无线传输，并通过码分多址逻辑电路实现多台实验装置能够在同一个实验室同时使用；所述可编程逻辑控制模块采用CPLD或FPGA芯片，与微处理器一起实现对实验资源的配置管理、调度使用。

8.根据权利要求1或2或3或4所述的飞行器导航、制导与控制技术教学实验装置，其特征在于：所述实时任务管理子系统(4)包括无线通讯芯片、实时采集控制控制器、视频接收、舵机控制接口、舵机采集接口、实时仿真平台和可编程逻辑控制模块；所述可编程逻辑控制模块采用CPLD或FPGA芯片，可实现惯组等效器或惯组等效器接口，并与实时采集控制器DSP一起实现对实验资源的配置管理、调度使用。