CN105204370A - 固定翼飞行器实时仿真系统及仿真方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种固定翼飞行器实时仿真系统及仿真方法。本发明的固定翼飞行器实时仿真系统，包括下位机、上位机、地面站单元、仪表单元、视景单元和参数接口单元；所述下位机用于在所述实时嵌入式系统中运行飞行器模型；所述上位机用于将飞行器模型应用程序编译进实时嵌入式操作系统中，并将编译后的实时嵌入式操作系统发送到所述下位机中；用于实时修改飞行器模型的PID控制参数、监测控制所述飞行器模型的运行状态；所述参数接口单元用于向所述下位机发送指定的飞行器模型参数以实现指定的固定翼飞行器的实时仿真。本发明实时地模拟飞行场景并提高飞行器仿真系统的通用性，避免了复杂的编程及调试工作，降低了仿真成本。

Description

固定翼飞行器实时仿真系统及仿真方法

技术领域

本发明涉及固定翼飞行器仿真领域，尤其涉及一种固定翼飞行器实时仿真系统及仿真方法。

背景技术

传统的飞行器设计、生产、试飞验证是一个复杂而漫长的过程，现有的飞行器试飞技术风险和试验成本都非常高。

现在最基本的方法是对所设计的飞行器模型进行全数字仿真，现有的全数字仿真实时性差、通用性差。首先，MATLAB/Simulink仿真技术是欠实时或者超实时的，由于飞行器模型过于复杂，数字仿真一般都是欠实时仿真，仿真时间极其缓慢；其次，传统的飞行器仿真技术仅适用于单一型号的飞行器，如果直接对MATLAB/Simulink中的飞行器模型进行C语言代码改写不仅要进行正确的离散化处理，还要用C代码编写控制算法以及飞行器模型的各个环节，这将面临的是极其繁重的代码编写，不但增加了开发周期，而且代码的质量也不能保证，后期的调试工作也极其复杂，增大了仿真成本。

为了能和真实时间同步，就要对飞行器进行实时仿真，就需要利用实时操作系统。为了避免复杂的编程及调试工作，就需要设计通用性的飞行器实时仿真系统。

因此，如何使飞行器仿真系统验证设计的控制算法、实时地模拟飞行场景并提高飞行器仿真系统的通用性、降低仿真成本成为亟待解决的问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：现有的飞行器仿真技术中实时性差、通用性差、仿真成本高的问题。

为解决上述技术问题，本发明提出了一种固定翼飞行器实时仿真系统，该系统包括：下位机、上位机、地面站单元、仪表单元、视景单元和参数接口单元；

所述下位机用于在所述实时嵌入式系统中运行飞行器模型；

所述上位机用于将飞行器模型应用程序编译进实时嵌入式操作系统中，并将编译后的实时嵌入式操作系统发送到所述下位机中；用于实时修改飞行器模型的PID控制参数、监测控制所述飞行器模型的运行状态；

所述地面站单元包括控制模块、数据模块和地图模块，所述控制模块用于发送控制指令至所述飞行器模型，所述数据模块用于接收所述飞行器模型发送的飞行状态数据，所述地图模块用于根据所述飞行器模型的飞行状态数据实时记录所述飞行器模型的飞行轨迹；

所述仪表单元用于根据接收到的所述下位机发送的飞行状态数据判断所述飞行器模型是否正常飞行；

所述视景单元用于根据接收到的所述下位机发送的飞行状态数据显示所述飞行器模型的飞行状态；

所述参数接口单元用于向所述下位机发送指定的飞行器模型参数以实现指定的固定翼飞行器的实时仿真。

可选地，所述上位机具体用于：

控制所述飞行器模型的启动和停止，修改所述飞行器模型的PID控制参数，接收所述下位机发送的飞行器模型的飞行状态数据并显示。

可选地，所述控制模块具体用于：

发送初始化数据至所述下位机，所述初始化数据包括机场三维坐标、机场方位角、燃油重量和飞行器载重量；

设置所述飞行器模型的任务模式，所述飞行器模型的任务模式包括手动模式和自动模式；

发送导航点和导航指令至所述下位机。

可选地所述上位机，具体用于：

根据选定的飞行器型号，搭建Simulink模型；

利用实时工作箱RTW技术将所述模型编译生成C代码，在C代码中增加所述上位机和所述下位机通信的代码，生成飞行器模型应用程序，将飞行器模型应用程序编译进Vxworks系统。

可选地，所述下位机、所述上位机、所述地面站单元、所述仪表单元、所述视景单元和所述参数接口单元通过路由器组成局域网。

可选地，所述下位机还包括半物理仿真接口，所述下位机通过所述半物理仿真接口与半物理仿真系统相连；

所述上位机还包括传感器仿真模块，所述传感器仿真模块用于根据所述半物理仿真系统检测到的真实飞行器的飞行状态数据调整所述飞行器模型的飞行参数和大气参数。

本发明还提出了一种固定翼飞行器实时仿真方法，包括以下步骤：

上位机发送编译后的实时嵌入式操作系统至下位机，重新启动所述下位机；

所述上位机发送启动指令至下位机中的飞行器模型，所述飞行器模型在所述实时嵌入式操作系统中运行；

地面站单元的控制模块发送控制指令至所述飞行器模型；

所述下位机向所述上位机、地面站单元、仪表单元和视景单元发送飞行状态数据。

可选地，所述上位机发送编译后的实时嵌入式操作系统至下位机之前，该方法还包括：

利用路由器搭建局域网，所述局域网包括下位机、上位机、地面站单元、仪表单元、视景单元和参数接口单元；

在所述上位机中搭建飞行器模型；

配置所述仪表单元和所述视景单元的参数；

在所述上位机中将所述飞行器模型编译进实时嵌入式操作系统中，所述上位机将编译后的实时嵌入式操作系统发送到所述下位机中。

可选地，固定翼飞行器实时仿真方法还包括：

参数接口单元发送飞行器模型的参数至所述下位机，以进行指定型号的固定翼飞行器实时仿真。

可选地，固定翼飞行器实时仿真方法还包括：

所述上位机向所述下位机发送飞行器模型的PID控制参数。

本发明提供一种固定翼飞行器实时仿真系统及仿真方法，直接对设计的控制算法进行验证，验证通过后，接入地面站单元、仪表单元及视景单元构成实时仿真系统，实时地模拟飞行场景并提高飞行器仿真系统的通用性，避免了复杂的编程及调试工作，降低了仿真成本。本发明利用实时工作箱RTW技术实现在飞行器模型运行时调整PID控制参数，脱离了Simulink外部模式实时调参的功能。利用本发明能在飞行器生产前发现问题，优化设计，降低试验成本及风险。

附图说明

通过参考附图会更加清楚的理解本发明的特征和优点，附图是示意性的而不应理解为对本发明进行任何限制，在附图中：

图1示出了本发明一个实施例的固定翼飞行器实时仿真系统图；

图2示出了本发明一个实施例的固定翼飞行器实时仿真方法图；

图3示出了RTW(Real-TimeWorkshop，实时工具箱)技术原理图；

图4示出了固定翼飞行器中参数接口单元的界面；

图5示出了基于Vxworks的实时仿真程序；

图6示出了上位机单元界面；

图7示出了地面站单元界面。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的实施例进行详细描述。

图1示出了本发明一个实施例的固定翼飞行器实时仿真系统图。如图1所示，该固定翼飞行器实时仿真系统包括：下位机1、上位机2、地面站单元3、仪表单元4、视景单元5和参数接口单元6；

下位机1用于在所述实时嵌入式系统中运行飞行器模型；

上位机2用于将飞行器模型应用程序编译进实时嵌入式操作系统中，并将编译后的实时嵌入式操作系统发送到所述下位机中；用于实时修改飞行器模型的PID控制参数、监测控制所述飞行器模型的运行状态，下位机中运行的飞行器模型不可见，利用上位机能实时监控飞行器模型运行情况，对仿真数据进行分析，验证控制算法的好坏(上位机2的界面如图6所示)；

地面站单元3包括控制模块、数据模块和地图模块，所述控制模块用于发送控制指令至所述飞行器模型，所述数据模块用于接收所述飞行器模型发送的飞行状态数据，所述地图模块用于根据所述飞行器模型的飞行状态数据实时记录所述飞行器模型的飞行轨迹；

仪表单元4用于根据接收到的所述下位机发送的飞行状态数据判断所述飞行器模型是否正常飞行；

视景单元5用于根据接收到的所述下位机发送的飞行状态数据显示所述飞行器模型的飞行状态；

参数接口单元6用于向所述下位机发送指定的飞行器模型参数以实现指定的固定翼飞行器的实时仿真。

下位机1用于向上位机2、地面站单元3、仪表单元4、视景单元5发送飞行状态数据，下位机1还用于接收上位机2和地面站单元3发送的数据。

下位机1向上位机2和地面站单元3发送的飞行状态数据包括飞行速度、机体轴下速度、角速度、三维位置信息、舵偏量参数以及发送机推力参数。所述飞行器模型向仪表单元4发送的飞行状态数据包括飞行速度、飞行高度、姿态角、发动机参数及舵偏量参数。仪表单元4将接收的飞行器状态数据显示在仪表单元4的界面上，以便观察发动机和舵面是否工作正常，并能从俯仰角、滚转角、偏航角三个姿态角观察飞行器模型是否飞行正常。下位机1向视景单元5发送的飞行状态数据包括姿态角及三维位置信息。研究人员通过视景单元5从飞行器外部观察飞行器的状态，用于虚拟场景的在线显示。

参数接口单元6能修改飞行器模型的下述参数：飞行器设计参数、飞行器初始化状态参数、飞行器故障仿真设置参数和飞行大气环境参数。根据用户选择的指定类型的飞行器，填写以上参数并发送到下位机1，实现了通用固定翼飞行器的仿真。其中，飞行器设计参数包括飞行器结构参数、飞行器气动参数、飞行器发送机参数和飞行器起落架参数；飞行器初始化状态参数包括飞行器初始化位置、速度、姿态，飞行器燃油及载荷、参考点位置；飞行器故障仿真设置参数包括飞行器结构故障、执行机构与传感器故障、控制逻辑故障等设置；飞行大气环境参数包括大气环境中的风、云、雨等参数、地形位置及高程数据等。参数接口单元的界面如图4所示。

本发明实施例提出的固定翼飞行器实时仿真系统实时地模拟飞行场景并提高飞行器仿真系统的通用性，避免了复杂的编程及调试工作，降低了仿真成本。利用本发明实施例提出的固定翼飞行器实时仿真系统能在飞行器生产前发现问题，优化设计，降低试验成本及风险。

在一种可选的实施方式中，图1所示的固定翼飞行器实时仿真系统中，上位机2具体用于：控制所述飞行器模型的启动和停止，修改所述飞行器模型的PID(比例-积分-微分)控制参数，接收下位机1发送的飞行器模型的飞行状态数据并显示。

控制模块具体用于：发送初始化数据至下位机1，所述初始化数据包括机场三维坐标、机场方位角、燃油重量和飞行器载重量；

设置所述飞行器模型的任务模式，所述飞行器模型的任务模式包括手动模式和自动模式；

发送导航点和导航指令至下位机1。

在第二种可选的实施方式中，上位机2具体用于：根据选定的飞行器型号，搭建Simulink模型；利用实时工作箱RTW技术将所述模型编译生成C代码，在C代码中增加所述上位机和所述下位机通信的代码，生成飞行器模型应用程序，将飞行器模型应用程序编译进Vxworks系统。

下位机1、上位机2、地面站单元3、仪表单元4、视景单元5和参数接口单元6通过路由器组成局域网。

本实施方式中的固定翼飞行器实时仿真系统，实时地模拟飞行场景并提高飞行器仿真系统的通用性，避免了复杂的编程及调试工作，降低了仿真成本。利用本发明实施例提出的固定翼飞行器实时仿真系统能在飞行器生产前发现问题，优化设计，降低试验成本及风险。利用实时工作箱RTW技术实现在飞行器模型运行时调整PID控制参数，脱离了Simulink外部模式实时调参的功能。

在第三种可选的实施方式中，下位机1还包括半物理仿真接口，下位机1通过所述半物理仿真接口与半物理仿真系统相连；上位机2还包括传感器仿真模块，所述传感器仿真模块用于根据所述半物理仿真系统检测到的真实飞行器的飞行状态数据调整所述飞行器模型的飞行参数和大气参数。上位机实现了传感器仿真，模拟真实飞行器中传感器检测数据的偏差性，原理同调整PID控制参数。

鉴于实物飞行器受外部干扰(环境干扰及风切变)的影响，采用传感器仿真来模拟此外部影响，以模拟真实环境。飞行参数主要包括主惯导故障输入(经度、纬度、海拔高度、三轴速度)、无线电高度故障输入、GPS故障输入(经度、纬度、海拔高度、滚转角、俯仰角、偏航角)和垂直陀螺故障输入(滚转角速度、俯仰角速度、偏航角速度)。大气参数包括大气数据故障输入(外界温度、气压、重力场、声速)。

本实施方式中的固定翼飞行器实时仿真系统，采用传感器仿真来模拟实物飞行器受外部干扰的影响，达到模拟真实环境的目的。

图2示出了本发明一个实施例的固定翼飞行器实时仿真方法图。

本实施例提出的固定翼飞行器实时仿真方法，包括以下步骤：

S1:上位机发送编译后的实时嵌入式操作系统Vxworks至下位机，重新启动所述下位机；

S2:所述上位机发送启动指令至下位机中的飞行器模型，所述飞行器模型在所述实时嵌入式操作系统Vxworks中运行；

S3:地面站单元的控制模块发送控制指令至所述飞行器模型,具体为：控制模块发送初始化数据至所述下位机，所述初始化数据包括机场三维坐标、机场方位角、燃油重量和飞行器载重量；初始化指令发送后，控制模块设置所述飞行器模型的任务模式，所述飞行器模型的任务模式包括手动模式和自动模式；控制模块发送导航点和导航指令至所述下位机。地面站单元界面如图7所示。

手动驾驶能操作操纵杆驾驶飞行器，自动驾驶包括自动起飞、自动盘旋、等方位角飞行、等高飞行以及等速率爬升，只要给出相关指令，飞行器就能按指定模式飞行。导航飞行是指给出几个导航点，飞行器模型按照航路点飞行，达到最后一个航路点时，以该航路点为中心等高盘旋。

S4:所述下位机向所述上位机、地面站单元、仪表单元和视景单元发送飞行状态数据。

上位机发送编译后的实时嵌入式操作系统至下位机之前，该方法还包括：

利用路由器搭建局域网，所述局域网包括下位机、上位机、地面站单元、仪表单元、视景单元和参数接口单元；

利用路由器搭建局域网，所述局域网下位机、上位机、地面站单元、仪表单元、视景单元和参数接口单元，通过ping指令确认网络是否连接正常；

选定指定型号的固定翼飞行器，由于飞行器模型搭建涉及动力学计算、发动机计算、起落架系统计算、气动计算等大量计算，在上位机中基于Simulink软件快速开发环境搭建飞行器模型ADI.mdl，利用Simulink的RTW技术将所述飞行器模型编译生成C代码，修改tornado.tlc、tornado.tmf、rt_main.c、ext_com文件，在C代码中增加上位机2和下位机1通信的代码，生成飞行器模型应用程序ADI.lo，这种方法大大缩短了研发的周期，避免了人工编写C代码效率低、不宜调试的问题，RTW(Real-TimeWorkshop，实时工具箱)技术原理如图3所示；

配置所述仪表单元和视景单元的config.h文件，配置下位机的IP地址，配置仪表单元和视景单元所在计算机接收数据的端口号；

在上位机中将所述飞行器模型应用程序ADI.lo编译进实时嵌入式操作系统Vxworks中，上位机将编译后的实时嵌入式操作系统Vxworks发送到所述下位机中。基于Vxworks的实时仿真程序如图5所示。

现有技术修改PID控制参数一般使用Simulink外部模式实时调参的功能，而本实施方式脱离了此功能。本实施方式在飞行器模型中已将所有的PID参数以唯一的名称编号，所以在RTW生成的C代码中添加通信接收修改的PID参数值，并写进内存，在模型实时运行的过程中就实现了PID调参，此参数修改方法简单、方便、效率也高。

在一种可选的固定翼飞行器实时仿真方法的实施方式中，还包括：参数接口单元发送飞行器模型的参数至所述下位机，以进行指定型号的固定翼飞行器实时仿真。

上位机向在所述飞行器模型运行时向下位机发送飞行器模型PID控制参数。在生成飞行器模型应用程序时，利用实时工作箱RTW技术将所述飞行器模型编译生成C代码，在C代码中增加上位机和下位机通信的代码，便于上位机发送修改的PID控制参数到下位机的内存中。

应用本发明实时方式的固定翼飞行器实时仿真方法，实时地模拟飞行场景并提高飞行器仿真系统的通用性，避免了复杂的编程及调试工作，降低了仿真成本。利用实时工作箱RTW技术实现在飞行器模型运行时调整PID控制参数，脱离了Simulink外部模式实时调参的功能。能在飞行器生产前发现问题，优化设计，降低试验成本及风险。

虽然结合附图描述了本发明的实施方式，但是本领域技术人员可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下做出各种修改和变型，这样的修改和变型均落入由所附权利要求所限定的范围之内。

Claims (10)

1.一种固定翼飞行器实时仿真系统，其特征在于，包括下位机、上位机、地面站单元、仪表单元、视景单元和参数接口单元；

所述下位机用于在所述实时嵌入式系统中运行飞行器模型；

所述上位机用于将飞行器模型应用程序编译进实时嵌入式操作系统中，并将编译后的实时嵌入式操作系统发送到所述下位机中；用于实时修改飞行器模型的PID控制参数、监测控制所述飞行器模型的运行状态；

所述地面站单元包括控制模块、数据模块和地图模块，所述控制模块用于发送控制指令至所述飞行器模型，所述数据模块用于接收所述飞行器模型发送的飞行状态数据，所述地图模块用于根据所述飞行器模型的飞行状态数据实时记录所述飞行器模型的飞行轨迹；

所述仪表单元用于根据接收到的所述下位机发送的飞行状态数据判断所述飞行器模型是否正常飞行；

所述视景单元用于根据接收到的所述下位机发送的飞行状态数据显示所述飞行器模型的飞行状态；

所述参数接口单元用于向所述下位机发送指定的飞行器模型参数以实现指定的固定翼飞行器的实时仿真。

2.根据权利要求1所述的固定翼飞行器实时仿真系统，其特征在于，所述上位机具体用于：

控制所述飞行器模型的启动和停止，修改所述飞行器模型的PID控制参数，接收所述下位机发送的飞行器模型的飞行状态数据并显示。

3.根据权利要求1所述的固定翼飞行器实时仿真系统，其特征在于，所述控制模块具体用于：

发送初始化数据至所述下位机，所述初始化数据包括机场三维坐标、机场方位角、燃油重量和飞行器载重量；

设置所述飞行器模型的任务模式，所述飞行器模型的任务模式包括手动模式和自动模式；

发送导航点和导航指令至所述下位机。

4.根据权利要求1所述的固定翼飞行器实时仿真系统，其特征在于，所述上位机具体用于：

根据选定的飞行器型号，搭建Simulink模型；

利用实时工作箱RTW技术将所述模型编译生成C代码，在C代码中增加所述上位机和所述下位机通信的代码，生成飞行器模型应用程序，将飞行器模型应用程序编译进Vxworks系统。

5.根据权利要求1所述的固定翼飞行器实时仿真系统，其特征在于，所述下位机、所述上位机、所述地面站单元、所述仪表单元、所述视景单元和所述参数接口单元通过路由器组成局域网。

6.根据权利要求1所述的固定翼飞行器实时仿真系统，其特征在于，所述下位机还包括半物理仿真接口，所述下位机通过所述半物理仿真接口与半物理仿真系统相连；

所述上位机还包括传感器仿真模块，所述传感器仿真模块用于根据所述半物理仿真系统检测到的真实飞行器的飞行状态数据调整所述飞行器模型的飞行参数和大气参数。

7.一种应用如权利要求1-6任一项所述的固定翼飞行器实时仿真系统的仿真方法，其特征在于，包括以下步骤：

上位机发送编译后的实时嵌入式操作系统至下位机，重新启动所述下位机；

所述上位机发送启动指令至下位机中的飞行器模型，所述飞行器模型在所述实时嵌入式操作系统中运行；

地面站单元的控制模块发送控制指令至所述飞行器模型；

所述下位机向所述上位机、地面站单元、仪表单元和视景单元发送飞行状态数据。

8.根据权利要求7所述的固定翼飞行器实时仿真方法，其特征在于，所述上位机发送编译后的实时嵌入式操作系统至下位机之前，该方法还包括：

利用路由器搭建局域网，所述局域网包括下位机、上位机、地面站单元、仪表单元、视景单元和参数接口单元；

在所述上位机中搭建飞行器模型；

配置所述仪表单元和所述视景单元的参数；

在所述上位机中将所述飞行器模型编译进实时嵌入式操作系统中，所述上位机将编译后的实时嵌入式操作系统发送到所述下位机中。

9.一种如权利要求7所述的固定翼飞行器实时仿真方法，其特征在于，还包括：

参数接口单元发送飞行器模型的参数至所述下位机，以进行指定型号的固定翼飞行器实时仿真。

10.一种如权利要求7所述的固定翼飞行器实时仿真方法，其特征在于，还包括：

所述上位机向所述下位机发送飞行器模型的PID控制参数。