CN109062078A - 垂直起降固定翼无人机飞控系统仿真测试平台 - Google Patents

垂直起降固定翼无人机飞控系统仿真测试平台 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种垂直起降固定翼无人机飞控系统仿真测试平台，包括：飞控计算机、模型仿真机、视景仿真机、地面控制站、遥控器和遥控器接收机；飞控计算机通过串口通信设备接收模型仿真机解算的无人机位姿信息反馈，实时计算控制指令，并将控制指令传送至模型仿真机；同时飞控计算机用于与地面控制站进行通信，接收地面控制站上传的任务指令，同时将无人机状态信息下传至地面控制站；模型仿真机用于接收飞控计算机控制指令，实时解算无人机飞行状态，并将无人机状态信息反馈至飞控计算机；视景仿真机采用虚拟现实技术，将无人机状态实时三维显示；地面控制站用于接收来自飞控计算机的无人机状态信息，同时进行数据的实时可视化显示。

Description

垂直起降固定翼无人机飞控系统仿真测试平台
技术领域
属于航空飞行器设计领域，特别涉及一种垂直起降固定翼无人机飞控系统仿真测试平台。
背景技术
无人机(UAV)具有低成本、高效费比、使用方便等诸多优点，在军事领域和民用方面得到广泛的应用。垂直起降无人机能够以零速度起飞/着陆，具备悬停能力，并能以固定翼无人机的方式水平飞行。其最大优点是起降便利，对场地要求极低，特别适用于起降场地受限的特殊环境。因此自面世以来就受到了用户的广泛关注，其核心技术在于垂直起降复合无人机飞行控制系统，目前相应成熟飞控产品寥寥无几，市场上对适用于较大量级复合无人机的飞控系统需求迫切。垂直起降复合无人机特殊的构型和复杂的飞行模式决定了其飞控系统的开发难度极高，试验成本高昂，因此，为了节省研制费用，缩短研制周期，降低试飞风险，需要建立相应的飞控系统仿真测试平台，从而便于快速检验所设计控制算法和整个飞行控制系统的各项性能。通过该平台还可以建立无人机模型库以及飞行场景的数据库，用户可以根据实际情况选择不同飞机模型和飞行场景进行仿真，通过设置相应的训练课目，使得受训人员能够方便地使用该系统进行训练，为后期飞控产品推广提供较好的技术支持。因此，具有较好的扩展空间和应用价值。
发明内容
本发明旨在克服现有技术的缺陷，提供一种垂直起降固定翼无人机飞控系统仿真测试平台。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
本发明提供一种垂直起降固定翼无人机飞控系统仿真测试平台，其特征在于，包括：
飞控计算机、模型仿真机、视景仿真机、地面控制站、遥控器和遥控器接收机；
飞控计算机运行机载控制软件，主要用于与模型仿真机、地面控制站和遥控器进行通信，通过串口通信设备接收模型仿真机解算的无人机位姿信息反馈，实时计算控制指令，并将控制指令传送至模型仿真机；同时飞控计算机用于与地面控制站进行通信，接收地面控制站上传的任务指令，同时将无人机状态信息下传至地面控制站；
模型仿真机运行无人机六自由度模型，用于接收飞控计算机控制指令，实时解算无人机飞行状态，并将无人机状态信息反馈至飞控计算机；
视景仿真机用于通过网络通信接收地面控制站发送的无人机位姿信息，采用虚拟现实技术，将无人机状态实时三维显示；
地面控制站用于通过数据链接收来自飞控计算机的无人机状态信息，同时进行数据的实时可视化显示；如观察飞机的姿态、位置、飞行轨迹、飞行参数、飞行仪表等相关信息；同时可上传航迹指令等控制信息。
遥控器用于通过遥控链路与遥控器接收机进行通信，遥控器接收机再通过SBUS接口连接至飞控计算机，将遥控指令上传至飞控计算机，实现手遥模式飞行。
还包括数据链，飞控计算机通过数据链与地面控制站进行通信，接收地面控制站上传的任务指令，同时将无人机状态信息下传至地面控制站，，采用标准通信协议及标准通信频率。
所述飞控计算机通过串口通信设备接收模型仿真机发送的无人机状态信息(模拟传感器输出)作为反馈，以地面站及遥控器指令作为指令输入，通过经典PID反馈控制原理，实时计算舵偏角指令、油门指令、旋翼电机控制指令，并通过串口通信设备将控制指令发送至模型仿真机。
模型仿真机为无人机提供一个高度真实的模拟飞行环境，主要包括无人机模型、无人机飞行动力学模型、飞行环境模型、传感器模型，其中无人机模型包括：舵机模型、结构模型、空气动力学模型、动力系统模型、飞行环境模型及传感器模型。
视景仿真机建立无人机及周围环境三维模型，通过网络通信接口接收地面控制站发送的无人机位姿信息，通过采用虚拟现实技术实时视景进行三维显示。
遥控器作为手遥飞行模式控制终端，具有俯仰通道、滚转通道、偏航通道、油门通道、手遥/自主切换等基本控制通道，操作手通过控制对应通道摇杆，实现对无人机的实时远距控制。
本发明的有益效果在于：本发明所提及的垂直起降固定翼无人机飞控系统仿真测试平台，能够为飞控系统设计提供算法及逻辑验证平台，真正的解决了垂直起降复合无人机飞控系统试验难度大、试验成本高昂的行业痛点，能够非常简便地对飞行控制系统进行前期仿真测试，便于快速检验所设计控制算法和整个飞行控制系统的各项性能，起到节省研制费用、缩短研制周期以及降低试飞风险的巨大作用。同时，可以作为飞控使用者培训平台，为后期飞控产品推广提供较好的技术支持市场前景非常好。
附图说明
图1所示为垂直起降固定翼无人机飞控系统仿真测试平台的示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，而不构成对本发明的限制。
如图1所示，本发明实施例提供的垂直起降固定翼无人机飞控系统仿真测试平台，包括：
飞控计算机、模型仿真机、视景仿真机、地面控制站、遥控器和遥控器接收机；
飞控计算机运行机载控制软件，主要用于与模型仿真机、地面控制站和遥控器进行通信，通过串口通信设备接收模型仿真机解算的无人机位姿信息反馈，实时计算控制指令，并将控制指令传送至模型仿真机；同时飞控计算机用于与地面控制站进行通信，接收地面控制站上传的任务指令，同时下传无人机状态信息下传至地面控制站；
模型仿真机运行无人机六自由度模型，用于通过舵机模型接收飞控计算机控制指令，该飞控计算机控制指令即是舵面指令，实时解算无人机飞行状态，并将无人机状态信息反馈至飞控计算机；
视景仿真机用于通过网络通信接收地面控制站发送的无人机位姿信息，采用虚拟现实技术，将无人机状态实时三维显示；
地面控制站用于通过数据链接收来自飞控计算机的无人机状态信息，同时进行数据的实时可视化显示；如观察飞机的姿态、位置、飞行轨迹、飞行参数、飞行仪表等相关信息；同时可上传航迹指令等控制信息。
遥控器用于通过遥控链路与遥控器接收机进行通信，遥控器接收机再通过SBUS接口连接至飞控计算机，将遥控指令上传至飞控计算机，实现手遥模式飞行。
如图1所示的实施例中，飞控计算机还包括数据链，飞控计算机通过数据链与地面控制站进行通信，接收地面控制站上传的任务指令，同时将无人机状态信息下传至地面控制站，，采用标准通信协议及标准通信频率。
如图1所示的实施例中，所述飞控计算机通过串口通信设备接收模型仿真机发送的无人机状态信息，通过模拟传感器输出作为反馈，以地面站及遥控器指令作为指令输入，通过经典PID反馈控制原理，实时计算舵面指令，包括：舵偏角指令、油门指令、旋翼电机控制指令，并通过串口通信设备将舵面指令发送至模型仿真机。模型仿真机为无人机提供一个高度真实的模拟飞行环境，主要包括：无人机模型、无人机飞行动力学模型、飞行环境模型、传感器模型，其中无人机模型包括：舵机模型、结构模型、空气动力学模型、动力系统模型、飞行环境模型及传感器模型。无人机模型中，结构模型是基础结构，舵机模型向空气动力学模型输出舵反馈，串行通信设备向动力系统模型输出：ρ,a,Vw：大气环境参数，密度，声速及风场信息，其中动力系统模型包括旋翼及固定翼；无人机飞行动力学模型向空气动力学模型输出：无人机飞行速度、归一化角速度、攻角、侧滑角、归一化攻角、侧滑角变化率；空气动力学模型向无人机飞行动力学模型输出：无人机所受气动力矩，及无人机所受气动力；结构模型向无人机飞行动力学模型输出：Ixx,Iyy,Izz：无人机转动惯量特性，及m：无人机质量特性；无人机动力学模型向传感器模型输出比力、角速度，而其中传感器模型包括：气压传感器、组合导航、磁传感器。
如图1所示，视景仿真机建立无人机及周围环境三维模型，通过网络通信接口接收地面控制站发送的无人机位姿信息，通过采用虚拟现实技术实时视景进行三维显示。
如图1所示，遥控器作为手遥飞行模式控制终端，具有俯仰通道、滚转通道、偏航通道、油门通道、手遥/自主切换等基本控制通道，操作手通过控制对应通道摇杆，实现对无人机的实时远距控制。
以上所述本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所作出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本发明权利要求的保护范围内。

Claims (6)

1.一种垂直起降固定翼无人机飞控系统仿真测试平台，其特征在于，包括：
飞控计算机、模型仿真机、视景仿真机、地面控制站、遥控器和遥控器接收机；
飞控计算机用于与模型仿真机、地面控制站和遥控器进行通信，通过串口通信设备接收模型仿真机解算的无人机位姿信息反馈，实时计算控制指令，并将控制指令传送至模型仿真机；同时飞控计算机用于与地面控制站进行通信，接收地面控制站上传的任务指令，同时将无人机状态信息下传至地面控制站；
模型仿真机用于接收飞控计算机控制指令，实时解算无人机飞行状态，并将无人机状态信息反馈至飞控计算机；
视景仿真机用于接收地面控制站发送的无人机位姿信息，采用虚拟现实技术，将无人机状态实时三维显示；
地面控制站用于接收来自飞控计算机的无人机状态信息，同时进行数据的实时可视化显示；
遥控器用于与遥控器接收机进行通信，遥控器接收机连接至飞控计算机，将遥控指令上传至飞控计算机，实现手遥模式飞行。
2.如权利要求1所述的垂直起降固定翼无人机飞控系统仿真测试平台，其特征在于，还包括数据链，飞控计算机通过数据链与地面控制站进行通信，接收地面控制站上传的任务指令，同时将无人机状态信息下传至地面控制站，，采用标准通信协议及标准通信频率。
3.如权利要求1所述的垂直起降固定翼无人机飞控系统仿真测试平台，其特征在于，所述飞控计算机通过串口通信设备接收模型仿真机发送的无人机状态信息作为反馈，以地面站及遥控器指令作为指令输入，通过经典PID反馈控制原理，实时计算舵偏角指令、油门指令、旋翼电机控制指令，并通过串口通信设备将控制指令发送至模型仿真机。
4.如权利要求1所述的垂直起降固定翼无人机飞控系统仿真测试平台，其特征在于，模型仿真机为无人机提供一个高度真实的模拟飞行环境，包括无人机模型、无人机飞行动力学模型、飞行环境模型、传感器模型，其中无人机模型包括：舵机模型、结构模型、空气动力学模型、动力系统模型、飞行环境模型及传感器模型。
5.如权利要求1所述的垂直起降固定翼无人机飞控系统仿真测试平台，其特征在于，视景仿真机建立无人机及周围环境三维模型，通过网络通信接口接收地面控制站发送的无人机位姿信息，通过采用虚拟现实技术实时视景进行三维显示。
6.如权利要求1所述的垂直起降固定翼无人机飞控系统仿真测试平台，其特征在于，遥控器作为手遥飞行模式控制终端，具有俯仰通道、滚转通道、偏航通道、油门通道、手遥/自主切换等基本控制通道，通过控制对应通道摇杆，实现对无人机的实时远距控制。
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