CN111897242B - 一种变旋翼转速无人直升机半物理仿真系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种变旋翼转速无人直升机半物理仿真系统及方法，包括遥控遥测计算机、监控台、飞控计算机、仿真计算机、电机控制组件、变速传动组件、负载控制组件和负载组；其中，所述遥控遥测计算机用于发送无人直升机飞行控制、电机运转和传动变档指令，监测无人直升机非线性实时仿真模型状态；所述监控台用于显示变速传动组件和负载组运行信息；所述飞控计算机接收，以及仿真模型、变速传动组件和负载控制组件的相关数据，经飞行控制算法解算出飞行控制参数；所述仿真计算机用于运行无人直升机、传感器和舵系统的仿真模型；所述电机控制组件依据遥控指令，控制变速传动组件以指定转速运行，模拟变旋翼转速和双发并车过程。

Description

一种变旋翼转速无人直升机半物理仿真系统及方法

技术领域

本发明涉及一种变旋翼转速无人直升机半物理仿真系统及方法。

背景技术

变旋翼转速技术通过控制主旋翼转速以适应各种飞行条件，提高直升机的飞行性能和气动效率，将给未来的重型直升机、长航时直升机等技术研究带来显著收益。

在现有技术中，直升机半物理飞行仿真技术已相对成熟。但是，半物理仿真系统构建主要是在伺服系统、直升机状态反馈、飞控计算机等环节加入实物模拟，缺少对旋翼变转速相关特性的实物模拟。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供了一种变旋翼转速无人直升机半物理仿真系统，

包括遥控遥测计算机、监控台、飞控计算机、仿真计算机、电机控制组件、变速传动组件、负载控制组件和负载组；

其中，所述遥控遥测计算机用于发送无人直升机飞行控制、电机运转和传动变档指令，监测嵌入仿真计算机内部的无人直升机非线性实时仿真模型运行状态；

所述监控台用于显示变速传动组件和负载组运行信息，负载组运行信息包括动力电机转速、变档电机转速、并车变速器输出转速、负载控制指令、负载功率消耗等；

所述飞控计算机接收来自遥控遥测计算机的遥控指令，以及无人直升机非线性实时仿真模型、变速传动组件和负载控制组件反馈的直升机运动、转速、功率消耗数据，基于经典PID飞行控制算法解算出飞行控制参数；

所述仿真计算机用于运行无人直升机非线性实时仿真模型、传感器仿真模型、舵系统仿真模型；传感器和舵系统是在无人直升机上安装的；

所述电机控制组件依据遥控指令，控制变速传动组件以指定转速运行，模拟变旋翼转速和双发并车过程；

所述变速传动组件用于，利用行星差动原理进行传动变档，实现变旋翼转速模拟；

所述负载控制组件基于仿真计算机中无人直升机非线性实时仿真模型解算的需用功率控制负载组通断，负载组通过负载控制组件与变速传动组件连接，使变速传动组件输出端能够接收到负载变化；

所述负载组可选用电阻或灯泡组，以灯泡组的形式，能够更加直观反映变旋翼转速过程中无人直升机需用功率变化。

所述遥控遥测计算机运行遥测软件，采用软件形式模拟外操纵器及内控键盘，向飞控计算机发送控制指令。

所述监控台运行遥测软件，监测变速传动组件和负载组相关信息，负载组相关信息包括动力电机转速、变档电机转速、并车变速器输出转速、负载控制指令、负载功率消耗等。

所述飞控计算机采用双余度飞控。双余度飞控是现有技术。

所述仿真计算机包括1块CPU板、2块串口扩展板、1块AD/DA/DIO接口板、1块I/O驱动板和1块电源板，采用PC104架构ISA总线堆叠方式构成；仿真计算机基于QNX实时多任务操作系统，嵌入并实时运行无人直升机非线性实时仿真模型、传感器仿真模型、舵系统仿真模型。

所述变速传动组件包括第一动力电机、第二动力电机、第一变档电机、第二变档电机、第一多级变速器、第二多级变速器、第一单向离合器、第二单向离合器、并车变速器和发电机；

其中，第一动力电机、第二动力电机为驱动电机，采用恒转速控制，用于模拟双发动机动力输入，提供动力源；电机控制组件根据遥控指令，调节PWM信号控制驱动电机输出转速；

第一变档电机、第二变档电机为变档电机，用于实现传动变档；电机控制组件根据遥控变档指令，调节PWM信号控制变档电机输出转速；

第一动力电机和第一变档电机与第一多级变速器连接，通过调节第一变档电机的转速实现第一多级变速器输出转速变化；第一多级变速器依次连接第一单向离合器和并车变速器；第一单向离合器根据第一多级变速器输出轴转速与并车变速器输入轴转速切换工作模式，模拟动力单向传递方式；

第二动力电机和第二变档电机与第二多级变速器连接，通过调节第二变档电机的转速实现第二多级变速器输出转速变化；第二多级变速器依次连接第二单向离合器和并车变速器；第二单向离合器根据第二多级变速器输出轴转速与并车变速器输入轴转速切换工作模式，模拟动力单向传递方式；

并车变速器用于两条动力路径的并车，模拟双发并车，并车变速器输出轴连接发电机，发电机后端连接负载组。

将并车变速器输出转速作为无人直升机非线性实时仿真模型中旋翼转速的输入。

所述电机控制组件包括电机控制模块、第一电源模块、第二电源模块、第三电源模块、第四电源模块、第一驱动模块、第二驱动模块、第三驱动模块、第四驱动模块、第一采集模块、第二采集模块、第三采集模块、第四采集模块，分别对应四个电机，共有4个控制回路；

其中，电机控制模块接收遥控遥测计算机发送的第一动力电机、第一变档电机、第二动力电机、第二变档电机转速指令，并根据遥控指令调节PWM信号控制驱动第一动力电机、第一变档电机、第二动力电机、第二变档电机输出相应转速；

4个控制回路分别为控制回路1、控制回路2、控制回路3、控制回路4；

控制回路1中，第一电源模块为第一驱动模块、第一动力电机和第一采集模块供电；第一驱动模块根据遥控指令的设定转速要求生成符合交流电动机时序要求的PWM信号，用于控制第一动力电机产生相应转速；第一采集模块采集第一动力电机的反馈转速，用于传递给电机控制模块后，反馈至仿真计算机内部的无人直升机非线性实时仿真模型，体现仿真中的变旋翼转速过程；

控制回路2中，第二电源模块为第二驱动模块、第一变档电机和第二采集模块供电；第二驱动模块根据遥控指令的设定转速要求生成符合交流电动机时序要求的PWM信号，用于控制第一变档电机产生相应转速；第二采集模块采集第一变档电机的反馈转速，用于传递给电机控制模块后，反馈至仿真计算机内部的无人直升机非线性实时仿真模型，体现仿真中的变旋翼转速过程；

控制回路3中，第三电源模块为第三驱动模块、第二动力电机和第三采集模块供电；第三驱动模块根据遥控指令的设定转速要求生成符合交流电动机时序要求的PWM信号，用于控制第二动力电机产生相应转速；第三采集模块采集第二动力电机的反馈转速，用于传递给电机控制模块后，反馈至仿真计算机内部的无人直升机非线性实时仿真模型，体现仿真中的变旋翼转速过程；

控制回路4中，第四电源模块为第四驱动模块、第二变档电机和第四采集模块供电；第四驱动模块根据遥控指令的设定转速要求生成符合交流电动机时序要求的PWM信号，用于控制第二变档电机产生相应转速；第四采集模块采集第二变档电机的反馈转速，用于传递给电机控制模块后，反馈至仿真计算机内部的无人直升机非线性实时仿真模型，体现仿真中的变旋翼转速过程；

采集模块所需采集的信号包括转速信号，转速传感器为一磁感应霍尔位置转速传感器，输出为方波信号；

电机控制模块接收飞控计算机发送的指令信息，结合采集模块反馈的电机转速信息，依据控制算法解算PWM值，将控制命令传递给驱动模块，驱动模块将其转换为实际电压值后输送给电机，驱动变速传动组件中各个电机运转。

所述负载控制组件包括负载控制模块、第五电源模块、第五采集模块和继电器；

负载控制模块接收仿真计算机内部无人直升机非线性实时仿真模型解算的直升机需用功率信息，经转换后变为负载组控制信号，依据功率大小控制继电器通断，实际接通的负载与发电机相连，反映发电机实际负载情况；

第五电源模块为负载控制模块、第五采集模块供电；

第五采集模块利用传感器采集发电机输出转速，传递给负载控制模块后，反馈至仿真计算机内部的无人直升机非线性实时仿真模型，转换后作为旋翼转速输入，体现仿真中的变旋翼转速过程；

继电器被负载控制模块控制导通或断开负载，在所述系统中，通过负载控制模块的I/O口输出控制信号，经隔离后，输出给继电器，再由对应的继电器控制对应负载的开或关。

本发明还提供了一种变旋翼转速无人直升机半物理仿真方法，包括如下步骤：

步骤1，上电，启动变旋翼转速无人直升机半物理仿真系统；

步骤2，通过遥测遥控计算机，发送第一动力电机、第二动力电机和第一变档电机、第二变档电机转速指令设定值为0，变档指令设定为不变档，作为飞行仿真的初始状态；

步骤3，所述变旋翼转速无人直升机半物理仿真系统在模拟单发工作模式、模拟单发变转速工作模式、模拟单发传动变档工作模式、模拟自动最优转速控制工作模式、模拟双发并车工作模式共5种模式下工作。

步骤3中，所述模拟单发工作模式包括如下步骤：

步骤a1，发送第一动力电机转速指令至额定转速，模拟发动机启动、慢车至额定转速过程，此过程中仿真计算机内部的无人直升机非线性实时仿真模型接收发电机转速反馈，模拟旋翼转速输入，解算实时功率消耗，并传递至负载控制组件中的负载控制模块，控制继电器通断及负载接入数量；

步骤a2，通过遥测遥控计算机，发送飞行控制指令，无人直升机离地飞行；遥测遥控计算机发送第一动力电机转速设定不变，电机控制组件中的控制模块保持恒转速，模拟发动机恒转速控制飞行仿真，调整无人直升机飞行状态，保持第一动力电机转速恒定，此过程中仿真计算机内部的无人直升机非线性实时仿真模型接收发电机转速反馈，模拟旋翼转速输入，解算实时功率消耗，并传递至负载控制组件中的负载控制模块，负载控制模块能够依据直升机功率变化控制继电器通断；

所述模拟单发变转速工作模式包括如下步骤：

步骤b1，第一发送动力电机转速指令至额定转速，模拟发动机启动、慢车至额定转速过程，此过程中仿真计算机内部的无人直升机非线性实时仿真模型接收发电机转速反馈，模拟旋翼转速输入，解算实时功率消耗，并传递至负载控制组件中的负载控制模块，控制继电器通断及负载接入数量；

步骤b2，直升机飞行仿真过程中，保持无人直升机飞行状态不变，调节第一动力电机转速设定指令，驱动电机转速经固定传动比传递至变速传动组件的发电机，发电机转速变化影响无人直升机非线性实时仿真模型旋翼转速以及对负载的驱动，模拟发动机变转速控制仿真；

所述模拟单发传动变档工作模式包括如下步骤：

步骤c1，发送第一动力电机转速指令至额定转速，模拟发动机启动、慢车至额定转速过程，此过程中仿真计算机内部的无人直升机非线性实时仿真模型接收发电机转速反馈，模拟旋翼转速输入，解算实时功率消耗，并传递至负载控制组件中的负载控制模块，控制继电器通断及负载接入数量；

步骤c2，无人直升机飞行仿真过程中，保持无人直升机飞行状态不变，发送第一变档电机转速指令，变速传动组件传动比变化，影响无人直升机非线性实时仿真模型旋翼转速以及对负载的驱动，模拟传动变档控制；

所述模拟自动最优转速控制工作模式包括如下步骤：

步骤d1，发送第一动力电机转速指令至额定转速，模拟发动机启动、慢车至额定转速过程，此过程中仿真计算机内部的无人直升机非线性实时仿真模型接收发电机转速反馈，模拟旋翼转速输入，解算实时功率消耗，并传递至负载控制组件中的负载控制模块，控制继电器通断及负载接入数量；

步骤d2，将控制模态切换为自动最优转速控制模态，飞控计算机依据事先存储的直升机最优转速与飞行高度、速度、重量的数据关系表，随飞行状态变化，飞控计算机自动控制第一变档电机转速，进行最优转速控制；

所述模拟双发并车工作模式包括如下步骤：

步骤e1，发送第一动力电机转速指令至额定转速，模拟发动机启动、慢车至额定转速过程，此过程中仿真计算机内部的无人直升机非线性实时仿真模型接收发电机转速反馈，模拟旋翼转速输入，解算实时功率消耗，并传递至负载控制组件中的负载控制模块，控制继电器通断及负载接入数量；

步骤e2，发送第二动力电机转速指令，模拟发动机由慢车至额定转速过程中双发并车功率匹配问题，当第二动力电机转速低于第一动力电机转速时，后端负载完全由第一动力电机带动，增加第二动力电机转速，直至两者转速同步；

步骤e3，第一动力电机和第二动力电机工作在稳定转速时，通过离合器让其中一台动力电机与旋翼脱开，则其输出功率减小，则由另一台动力电机提供旋翼需用功率并实现旋翼转速变化；离地飞行仿真过程中，改变飞行状态，模拟负载变化过程中的双发并车功率匹配问题。

有益效果：

在变旋翼转速无人直升机研制过程中，有必要首先进行直升机/传动/发动机及控制系统的建模仿真试验，确保所用控制算法的有效性后再进行飞行试验。利用本发明，可以在实验室条件下，完成发动机和旋翼的协调工作模拟、旋翼转速大范围变化模拟、变旋翼转速飞行控制全过程模拟，有针对性应对变旋翼转速过程中可能出现的问题，为变旋翼转速飞行控制提供经验，探索道路。本发明通过对直升机动力、变速传动、负载等环节加入实物模拟，结合直升机实时仿真模型，可模拟发动机和旋翼的协调工作，实现旋翼转速大范围变化模拟，能够全程模拟变旋翼转速飞行控制过程，同时兼具双发并车控制试验验证功能。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明做更进一步的具体说明，本发明的上述或其他方面的优点将会变得更加清楚。

图1是本发明系统框架图。

图2是变速传动组件构成图。

图3是电机控制组件构成图。

图4是负载控制组件构成图。

图5是本发明系统架构图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。

如图1和5所示，本发明提供了一种变旋翼转速无人直升机半物理仿真系统，包括：遥控遥测计算机1、监控台2、飞控计算机3、仿真计算机4、电机控制组件5、变速传动组件6、负载控制组件7和负载组8。它们相互之间的关系如下：

遥控遥测计算机负责发送无人直升机飞行控制、电机运转和传动变档指令，监测无人直升机非线性实时仿真模型状态；

飞控计算机接收遥控指令、仿真模型、变速传动组件和负载控制组件的相关数据，经飞行控制算法解算出飞行控制参数；

仿真计算机运行无人直升机、传感器和舵系统的仿真模型；

监控台显示变速传动组件和负载组运行信息；

电机控制组件依据遥控指令，控制变速传动组件以指定转速运行，模拟变旋翼转速和双发并车过程；

负载控制组件基于仿真计算机中无人直升机非线性实时仿真模型解算的需用功率控制负载组通断，负载组与变速传动组件连接，使变速传动组件中的发电机能够接受到负载变化；最终形成能够模拟变旋翼转速的直升机-发动机-传动一体化仿真系统。

所述遥控遥测计算机运行遥测软件，采用软件形式模拟外操纵器及内控键盘，发送控制指令；

所述监控台运行遥测软件，监测变速传动组件和负载组相关信息；

所述飞控计算机采用双余度飞控；

所述仿真计算机由供电单元和信号处理单元组成，基于工业级的QNX实时多任务操作系统，嵌入无人直升机数学仿真模型、传感器仿真模型、舵系统仿真模型，实时运行。

变速传动组件包括动力电机、变档电机、多级变速器、单向离合器、并车变速器、发电机，如图2所示。其中动力电机1、动力电机2为驱动电机，采用恒转速控制，用于模拟双发动机动力输入，提供动力源；变档电机1、变档电机2为变档电机，用于接收传动变档指令；接收到变档指令后，电机控制组件调节PWM信号控制其转速，实际应用时，可根据实验要求控制变档电机的转速，模拟传动系统多级变速甚至无级变速。单向离合器1依据多级变速器1的转速与并车齿轮的转速值，模拟动力单向传递，单向离合器2功能相同；并车变速器用于两个动力路径的并车，模拟双发并车，发电机后端连接负载组。

电机控制组件包括控制模块、电源模块、驱动模块、采集模块，如图3所示。对应4个电机，共有4个控制回路，控制模块接收飞控计算机发送的指令信息，结合采集模块反馈的电机转速信息，依据控制算法解算PWM值，通过通讯电缆将控制命令传递给驱动模块，驱动模块将其转换为实际电压值后通过通讯电缆将实际电压输送给电机，驱动变速传动组件中各个电机运转。

负载控制组件包括负载控制模块、负载电源模块、负载采集模块、继电器，如图4所示。负载采集模块利用传感器采集发电机输出转速，传递给负载控制模块后，反馈至仿真计算机内部的无人直升机数学仿真模型，转换后作为旋翼转速输入，体现仿真中的变旋翼转速过程；负载控制模块同时也在接收仿真计算机内部无人直升机数学仿真模型解算的直升机需用功率信息，经转换后变为负载组控制信号，依据功率大小控制继电器通断，实际接通的负载也会与发电机相连，反映发电机实际负载情况。负载组以灯泡的形式，直观反映变旋翼转速过程中直升机需用功率变化。

本发明还提供了一种变旋翼转速无人直升机半物理仿真方法，包括：上电，启动变旋翼转速无人直升机半物理仿真系统；通过遥测遥控计算机，发送动力电机1、2和变档电机1、2转速指令设定值为0，变档指令设定为“不变档”，作为飞行仿真的初始状态。具备以下5种半物理仿真工作模式：

(1)模拟单发工作模式

step1、发送动力电机1转速指令至额定转速，模拟发动机启动、慢车至额定转速过程，此过程中仿真计算机内部的无人直升机非线性实时仿真模型接收发电机转速反馈，模拟旋翼转速输入，解算实时功率消耗，并传递至负载控制组件中的负载控制模块，控制继电器通断及负载接入数量；

step2、通过遥测遥控计算机，发送飞行控制指令，直升机离地飞行。遥测遥控计算机发送动力电机1转速设定不变，电机控制模块保持恒转速，模拟发动机恒转速控制飞行仿真，调整直升机飞行状态，保持动力电机1转速恒定，此过程中仿真计算机内部的无人直升机非线性实时仿真模型接收发电机转速反馈，模拟旋翼转速输入，解算实时功率消耗，并传递至负载控制组件中的负载控制模块，负载控制能够依据直升机功率变化控制继电器通断；

上述工作也可由动力电机2对应的仿真回路实现。

(2)模拟单发变转速工作模式

step1、发送动力电机1转速指令至额定转速，模拟发动机启动、慢车至额定转速过程，此过程中仿真计算机内部的无人直升机非线性实时仿真模型接收发电机转速反馈，模拟旋翼转速输入，解算实时功率消耗，并传递至负载控制组件中的负载控制模块，控制继电器通断及负载接入数量；

step2、直升机飞行仿真过程中，保持直升机飞行状态不变，调节动力电机1转速设定指令，驱动电机转速经固定传动比传递至变速传动组件的发电机，发电机转速变化影响仿真模型旋翼转速以及对负载的驱动，模拟发动机变转速控制仿真；

上述工作也可由动力电机2对应的仿真回路实现。

(3)模拟单发传动变档工作模式

step1、发送动力电机1转速指令至额定转速，模拟发动机启动、慢车至额定转速过程，此过程中仿真计算机内部的无人直升机非线性实时仿真模型接收发电机转速反馈，模拟旋翼转速输入，解算实时功率消耗，并传递至负载控制组件中的负载控制模块，控制继电器通断及负载接入数量；

step2、直升机飞行仿真过程中，保持直升机飞行状态不变，发送变档电机1转速指令，变速传动组件传动比变化，影响仿真模型旋翼转速以及对负载的驱动，模拟传动变档控制；

上述工作也可由动力电机2对应的仿真回路实现。

(4)模拟自动最优转速控制工作模式

step1、发送动力电机1转速指令至额定转速，模拟发动机启动、慢车至额定转速过程，此过程中仿真计算机内部的无人直升机非线性实时仿真模型接收发电机转速反馈，模拟旋翼转速输入，解算实时功率消耗，并传递至负载控制组件中的负载控制模块，控制继电器通断及负载接入数量；

step2、将控制模态切换为自动最优转速控制模态，飞控计算机依据事先存储的直升机最优转速与飞行高度、速度、重量的数据关系表，随飞行状态变化，飞控计算机自动控制变档电机1转速，进行最优转速控制。

上述工作也可由动力电机2对应的仿真回路实现。

(5)模拟双发并车工作模式

step1、发送动力电机1转速指令至额定转速，模拟发动机启动、慢车至额定转速过程，此过程中仿真计算机内部的无人直升机非线性实时仿真模型接收发电机转速反馈，模拟旋翼转速输入，解算实时功率消耗，并传递至负载控制组件中的负载控制模块，控制继电器通断及负载接入数量；

step2、发送动力电机2转速指令，模拟发动机由慢车至额定转速过程中双发并车功率匹配问题，当动力电机2转速低于动力电机1转速时，后端负载完全有动力电机1带动，增加动力电机2转速，直至两者转速同步。

step3、两台发动机工作在稳定转速时，通过离合器让其中一台发动机与旋翼脱开，则其输出功率减小，则由另一台发动机提供旋翼需用功率并实现旋翼转速变化；离地飞行仿真过程中，改变飞行状态，模拟负载变化过程中的双发并车功率匹配问题。

本发明系统采用电动机模拟直升机发动机转速和动力输出；

传动不变档时，通过控制动力电机转速变化，经变速传动组件以固定传动比传输后，实现变旋翼转速模拟；

传动变档时，变速传动组件接收到变档电机转速后，基于行星差动原理进行传动变档，实现变旋翼转速模拟；

仿真计算机运行直升机仿真模型，模拟定常和变转速过程中直升机状态和需用功率变化，并将需用功率转换后实时发送至负载控制组件，负载控制组件控制负载组电路通断个数，通过将负载与变速传动组件连接，使发电机端能够接收到负载变化；通过负载变化指示，可以直观观察到旋翼变转速过程中功率变化。

该试验台配以合适的控制策略与控制律，可模拟发动机和旋翼的协调工作，实现旋翼转速大范围变化模拟，能够全程模拟变旋翼转速飞行控制过程，同时兼具双发并车控制试验验证功能。

本发明提供了一种变旋翼转速无人直升机半物理仿真系统及方法，具体实现该技术方案的方法和途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式，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的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。本实施例中未明确的各组成部分均可用现有技术加以实现。

Claims (2)

1.一种变旋翼转速无人直升机半物理仿真系统，其特征在于，包括遥控遥测计算机、监控台、飞控计算机、仿真计算机、电机控制组件、变速传动组件、负载控制组件和负载组；

其中，所述遥控遥测计算机用于发送无人直升机飞行控制、电机运转和传动变档指令，监测嵌入仿真计算机内部的无人直升机非线性实时仿真模型运行状态；

所述监控台用于显示变速传动组件和负载组运行信息；

所述飞控计算机接收来自遥控遥测计算机的遥控指令，以及无人直升机非线性实时仿真模型、变速传动组件和负载控制组件反馈的直升机运动、转速、功率消耗数据，解算出飞行控制参数；

所述仿真计算机用于运行无人直升机非线性实时仿真模型、传感器仿真模型、舵系统仿真模型；

所述电机控制组件依据遥控指令，控制变速传动组件以指定转速运行，模拟变旋翼转速和双发并车过程；

所述变速传动组件用于，进行传动变档，实现变旋翼转速模拟；

所述负载控制组件基于仿真计算机中无人直升机非线性实时仿真模型解算的需用功率控制负载组通断，负载组通过负载控制组件与变速传动组件连接，使变速传动组件输出端能够接收到负载变化；

所述遥控遥测计算机运行遥测软件，采用软件形式模拟外操纵器及内控键盘，向飞控计算机发送控制指令；

所述监控台运行遥测软件，监测变速传动组件和负载组相关信息；

所述飞控计算机采用双余度飞控；

所述仿真计算机基于QNX实时多任务操作系统，嵌入并实时运行无人直升机非线性实时仿真模型、传感器仿真模型、舵系统仿真模型；

所述变速传动组件包括第一动力电机、第二动力电机、第一变档电机、第二变档电机、第一多级变速器、第二多级变速器、第一单向离合器、第二单向离合器、并车变速器和发电机；

其中，第一动力电机、第二动力电机为驱动电机，采用恒转速控制，用于模拟双发动机动力输入，提供动力源；电机控制组件根据遥控指令，调节PWM信号控制驱动电机输出转速；

第一变档电机、第二变档电机为变档电机，用于实现传动变档；电机控制组件根据遥控变档指令，调节PWM信号控制变档电机输出转速；

第一动力电机和第一变档电机与第一多级变速器连接，通过调节第一变档电机的转速实现第一多级变速器输出转速变化；第一多级变速器依次连接第一单向离合器和并车变速器；第一单向离合器根据第一多级变速器输出轴转速与并车变速器输入轴转速切换工作模式，模拟动力单向传递方式；

第二动力电机和第二变档电机与第二多级变速器连接，通过调节第二变档电机的转速实现第二多级变速器输出转速变化；第二多级变速器依次连接第二单向离合器和并车变速器；第二单向离合器根据第二多级变速器输出轴转速与并车变速器输入轴转速切换工作模式，模拟动力单向传递方式；

并车变速器用于两条动力路径的并车，模拟双发并车，并车变速器输出轴连接发电机，发电机后端连接负载组；

将并车变速器输出转速作为无人直升机非线性实时仿真模型中旋翼转速的输入；

所述电机控制组件包括电机控制模块、第一电源模块、第二电源模块、第三电源模块、第四电源模块、第一驱动模块、第二驱动模块、第三驱动模块、第四驱动模块、第一采集模块、第二采集模块、第三采集模块、第四采集模块，分别对应四个电机，共有4个控制回路；

其中，电机控制模块接收遥控遥测计算机发送的第一动力电机、第一变档电机、第二动力电机、第二变档电机转速指令，并根据遥控指令调节PWM信号控制驱动第一动力电机、第一变档电机、第二动力电机、第二变档电机输出相应转速；

4个控制回路分别为控制回路1、控制回路2、控制回路3、控制回路4；

控制回路1中，第一电源模块为第一驱动模块、第一动力电机和第一采集模块供电；第一驱动模块根据遥控指令的设定转速要求生成符合交流电动机时序要求的PWM信号，用于控制第一动力电机产生相应转速；第一采集模块采集第一动力电机的反馈转速，用于传递给电机控制模块后，反馈至仿真计算机内部的无人直升机非线性实时仿真模型，体现仿真中的变旋翼转速过程；

控制回路2中，第二电源模块为第二驱动模块、第一变档电机和第二采集模块供电；第二驱动模块根据遥控指令的设定转速要求生成符合交流电动机时序要求的PWM信号，用于控制第一变档电机产生相应转速；第二采集模块采集第一变档电机的反馈转速，用于传递给电机控制模块后，反馈至仿真计算机内部的无人直升机非线性实时仿真模型，体现仿真中的变旋翼转速过程；

控制回路3中，第三电源模块为第三驱动模块、第二动力电机和第三采集模块供电；第三驱动模块根据遥控指令的设定转速要求生成符合交流电动机时序要求的PWM信号，用于控制第二动力电机产生相应转速；第三采集模块采集第二动力电机的反馈转速，用于传递给电机控制模块后，反馈至仿真计算机内部的无人直升机非线性实时仿真模型，体现仿真中的变旋翼转速过程；

控制回路4中，第四电源模块为第四驱动模块、第二变档电机和第四采集模块供电；第四驱动模块根据遥控指令的设定转速要求生成符合交流电动机时序要求的PWM信号，用于控制第二变档电机产生相应转速；第四采集模块采集第二变档电机的反馈转速，用于传递给电机控制模块后，反馈至仿真计算机内部的无人直升机非线性实时仿真模型，体现仿真中的变旋翼转速过程；

采集模块所需采集的信号包括转速信号，转速传感器为一磁感应霍尔位置转速传感器，输出为方波信号；

电机控制模块接收飞控计算机发送的指令信息，结合采集模块反馈的电机转速信息，依据控制算法解算PWM值，将控制命令传递给驱动模块，驱动模块将其转换为实际电压值后输送给电机，驱动变速传动组件中各个电机运转；

所述负载控制组件包括负载控制模块、第五电源模块、第五采集模块和继电器；

负载控制模块接收仿真计算机内部无人直升机非线性实时仿真模型解算的直升机需用功率信息，经转换后变为负载组控制信号，依据功率大小控制继电器通断，实际接通的负载与发电机相连，反映发电机实际负载情况；

第五电源模块为负载控制模块、第五采集模块供电；

第五采集模块利用传感器采集发电机输出转速，传递给负载控制模块后，反馈至仿真计算机内部的无人直升机非线性实时仿真模型，转换后作为旋翼转速输入，体现仿真中的变旋翼转速过程；

继电器被负载控制模块控制导通或断开负载，在所述系统中，通过负载控制模块的I/O口输出控制信号，经隔离后，输出给继电器，再由对应的继电器控制对应负载的开或关。

2.一种变旋翼转速无人直升机半物理仿真方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1，上电，启动变旋翼转速无人直升机半物理仿真系统；

步骤2，通过遥测遥控计算机，发送第一动力电机、第二动力电机和第一变档电机、第二变档电机转速指令设定值为0，变档指令设定为不变档，作为飞行仿真的初始状态；

步骤3，所述变旋翼转速无人直升机半物理仿真系统在模拟单发工作模式、模拟单发变转速工作模式、模拟单发传动变档工作模式、模拟自动最优转速控制工作模式、模拟双发并车工作模式共5种模式下工作；

步骤3中，所述模拟单发工作模式包括如下步骤：

步骤a1，发送第一动力电机转速指令至额定转速，模拟发动机启动、慢车至额定转速过程，此过程中仿真计算机内部的无人直升机非线性实时仿真模型接收发电机转速反馈，模拟旋翼转速输入，解算实时功率消耗，并传递至负载控制组件中的负载控制模块，控制继电器通断及负载接入数量；

步骤a2，通过遥测遥控计算机，发送飞行控制指令，无人直升机离地飞行；遥测遥控计算机发送第一动力电机转速设定不变，电机控制组件中的控制模块保持恒转速，模拟发动机恒转速控制飞行仿真，调整无人直升机飞行状态，保持第一动力电机转速恒定，此过程中仿真计算机内部的无人直升机非线性实时仿真模型接收发电机转速反馈，模拟旋翼转速输入，解算实时功率消耗，并传递至负载控制组件中的负载控制模块，负载控制模块能够依据直升机功率变化控制继电器通断；

所述模拟单发变转速工作模式包括如下步骤：

步骤b1，第一发送动力电机转速指令至额定转速，模拟发动机启动、慢车至额定转速过程，此过程中仿真计算机内部的无人直升机非线性实时仿真模型接收发电机转速反馈，模拟旋翼转速输入，解算实时功率消耗，并传递至负载控制组件中的负载控制模块，控制继电器通断及负载接入数量；

步骤b2，直升机飞行仿真过程中，保持无人直升机飞行状态不变，调节第一动力电机转速设定指令，驱动电机转速经固定传动比传递至变速传动组件的发电机，发电机转速变化影响无人直升机非线性实时仿真模型旋翼转速以及对负载的驱动，模拟发动机变转速控制仿真；

所述模拟单发传动变档工作模式包括如下步骤：

步骤c1，发送第一动力电机转速指令至额定转速，模拟发动机启动、慢车至额定转速过程，此过程中仿真计算机内部的无人直升机非线性实时仿真模型接收发电机转速反馈，模拟旋翼转速输入，解算实时功率消耗，并传递至负载控制组件中的负载控制模块，控制继电器通断及负载接入数量；

步骤c2，无人直升机飞行仿真过程中，保持无人直升机飞行状态不变，发送第一变档电机转速指令，变速传动组件传动比变化，影响无人直升机非线性实时仿真模型旋翼转速以及对负载的驱动，模拟传动变档控制；

所述模拟自动最优转速控制工作模式包括如下步骤：

步骤d1，发送第一动力电机转速指令至额定转速，模拟发动机启动、慢车至额定转速过程，此过程中仿真计算机内部的无人直升机非线性实时仿真模型接收发电机转速反馈，模拟旋翼转速输入，解算实时功率消耗，并传递至负载控制组件中的负载控制模块，控制继电器通断及负载接入数量；

步骤d2，将控制模态切换为自动最优转速控制模态，飞控计算机依据事先存储的直升机最优转速与飞行高度、速度、重量的数据关系表，随飞行状态变化，飞控计算机自动控制第一变档电机转速，进行最优转速控制；

所述模拟双发并车工作模式包括如下步骤：

步骤e1，发送第一动力电机转速指令至额定转速，模拟发动机启动、慢车至额定转速过程，此过程中仿真计算机内部的无人直升机非线性实时仿真模型接收发电机转速反馈，模拟旋翼转速输入，解算实时功率消耗，并传递至负载控制组件中的负载控制模块，控制继电器通断及负载接入数量；

步骤e2，发送第二动力电机转速指令，模拟发动机由慢车至额定转速过程中双发并车功率匹配问题，当第二动力电机转速低于第一动力电机转速时，后端负载完全由第一动力电机带动，增加第二动力电机转速，直至两者转速同步；

步骤e3，第一动力电机和第二动力电机工作在稳定转速时，通过离合器让其中一台动力电机与旋翼脱开，则其输出功率减小，则由另一台动力电机提供旋翼需用功率并实现旋翼转速变化；离地飞行仿真过程中，改变飞行状态，模拟负载变化过程中的双发并车功率匹配问题。

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