CN113835361A

CN113835361A - 一种无人机半物理仿真系统

Info

Publication number: CN113835361A
Application number: CN202111428879.6A
Authority: CN
Inventors: 王�华; 杨海东; 郭宏选
Original assignee: Xian Lingkong Electronic Technology Co Ltd
Current assignee: Xian Lingkong Electronic Technology Co Ltd
Priority date: 2021-11-29
Filing date: 2021-11-29
Publication date: 2021-12-24

Abstract

本发明公开了一种无人机半物理仿真系统，包括试验管理系统、仿真计算系统、IO仿真系统、信号调理单元、信号断连系统、故障注入系统和飞控机实物，搭配了实时解算环境的半物理仿真系统，能够让被测实物的激励信号更加接近真实运行环境的电气信号，并且能够及时获取被测实物的反馈信号，从而让半物理仿真试验更加接近真实测试环境；机载设备模型与IO调度模型解算环境相隔离的设定，能够将机载设备数学模型的运算资源与设备IO调度资源相隔离，从而更有力地保障了动力学模型、机载设备模型的解算实时性；信号调理与断连设备为半物理仿真系统增加了可扩展性和通用性，故障注入设备为仿真试验的被测物容错性测试提供了环境支持。

Description

一种无人机半物理仿真系统

技术领域

本发明属于无人机仿真技术领域，涉及一种无人机半物理仿真系统。

背景技术

飞行控制计算机作为无人机的控制中枢和控制算法运行系统，主要完成飞行状态管理和控制指令解算功能。由于其无人驾驶特性，在远程通信和控制算法可靠性和稳定性方面有更高的性能需求。飞行控制计算机验证测试成为无人机可靠性测试的重要组成部分。所以，为了顺利完成对无人飞行器的前期设计，为飞行计算机机载代码的研发提供一个完整可靠的飞行仿真平台直接关乎整个研发迭代过程的效率与成败。作为无人机飞行控制系统研发中关键模块之一的半物理仿真平台，通过飞行仿真方式为飞行控制算法设计提供了高效且误差极小的综合无人机半物理仿真平台；大多数半物理仿真系统存在以下问题：实时性低，被测物运行环境偏离实际运行环境；测试功能单一；试验结果不能直观体现。

发明内容

本发明的目的是提供一种无人机半物理仿真系统，具有与飞行控制计算机对应的IO接口，可实现对飞行控制计算机的接口测试、开环测试和闭环测试，以及无人机的仿真训练。

本发明所采用的技术方案是，一种无人机半物理仿真系统，包括仿真管理系统，仿真管理系统连接仿真计算系统，仿真计算系统连接IO仿真系统，IO仿真系统连接飞行控制计算机；

仿真管理系统将仿真调度、仿真参数传输至仿真计算系统，仿真计算系统将仿真状态和仿真数据反馈至仿真管理系统，仿真计算系统通过反射内存网将模型激励数据传输至IO仿真系统，IO仿真系统通过反射内存网将被测物反馈数据反馈至仿真计算系统，IO仿真系统将激励信号传输至飞行控制计算机，飞行控制计算机将反馈信号传输至IO仿真系统，飞行控制计算机连接电源。

本发明的特点还在于：

其中IO仿真系统与飞行控制计算机之间连接有信号调理单元，所述信号调理单元为离散量调理，用于飞行控制计算机与实时仿真系统中电信号的调理；

其中IO仿真系统与飞行控制计算机之间连接有信号断连系统，所述信号断连系统与故障注入系统相连；

仿真管理系统包括信号断连系统控制模块和故障注入系统控制模块；

信号断连系统用于基于所述信号断连系统控制模块的控制实现仿真信号的断连及外部信号或设备的接入；

故障注入系统用于基于所述故障注入系统控制模块的控制实现信号短路、信号断路、外部故障源信号的注入；

其中信号断连系统具体为采用多路信号断连板卡，包括大电流信号断连和小电流信号断连；信号断连系统用于在模拟仿真系统进行半实物仿真时或大系统故障诊断时，通过信号断连系统将标准仪器接入环境中或将被测实物信号通路与模拟仿真测试系统通路断开；

其中故障注入系统包括线间故障单元、单点故障单元、外部故障源输入单元中的至少一个；

其中故障注入系统包括：

故障注入管理模块，用于设置所述线间故障单元、单点故障单元、外部故障源输入单元的工作参数；

串口总线模块，用于控制所述线间故障单元、单点故障单元、外部故障源输入单元进行工作；

其中仿真计算系统包括飞行动力学模型和航电仿真模型；IO仿真系统包括电气接口模型、数据链仿真模型和IO调度模型，所述IO仿真系统用于仿真计算系统与飞行控制计算机实时数据交互；

其中仿真管理系统包括ICD管理模块、仿真管理模块，仿真管理系统用于实现对仿真环境的综合管理，具体功能包括模型管理、仿真控制、参数设置和场景配置；

其中仿真计算系统中飞行动力学模型具体包括气动模型、运动学模型、地面处理模型、大气模型、大气紊流风场模型；航电仿真模型包括舵机模型、舵机控制系统模型、燃油子系统模型、发动机模型，所述各模型通过Matlab Simulink下构建，并通过编译生成在VxWorks下的可执行代码。

本发明的有益效果是：

本发明的一种无人机半物理仿真系统搭配了实时解算环境的半物理仿真系统，能够让被测实物的激励信号更加接近真实运行环境的电气信号，并且能够及时获取被测实物的反馈信号，从而让半物理仿真试验更加接近真实测试环境；机载设备模型与IO调度模型解算环境相隔离的设定，能够将机载设备数学模型的运算资源与设备IO调度资源相隔离，从而更有力地保障了动力学模型、机载设备模型的解算实时性，信号调理与断连设备为半物理仿真系统增加了可扩展性和通用性，故障注入设备为仿真试验的被测物容错性测试提供了环境支持。

附图说明

图1为本发明的一种无人机半物理仿真系统的架构图；

图2为本发明的一种无人机半物理仿真系统中硬件交联关系图；

图3为本发明的一种无人机半物理仿真系统的软件模块图；

图4为本发明的一种无人机半物理仿真系统的仿真数据流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明中的一种无人机半物理仿真系统包括试验管理系统、IO仿真系统、仿真计算系统、信号调理单元、信号断连系统、故障注入系统和飞行控制计算机，如图1和图4所示：

本发明的仿真管理系统将仿真调度、仿真参数传输至仿真计算系统，仿真计算系统将仿真状态和仿真数据反馈至仿真管理系统，即完成仿真环境的综合管理；仿真计算系统将模型激励数据传输至IO仿真系统，IO仿真系统将被测物反馈数据反馈至仿真计算系统，IO仿真系统将激励信号传输至飞行控制计算机，飞行控制计算机将反馈信号传输至IO仿真系统，IO仿真系统提供各种接口板卡，完成仿真计算系统与飞行控制计算机的信息交互，从而实现对飞行控制计算机的开闭环测试以及无人机的仿真训练；

试验管理系统包括地面站仿真系统、视景仿真系统、仿真管理系统；仿真管理系统包括ICD管理软件、故障注入系统控制模块、信号断连系统控制模块、仿真管理模块；

仿真计算系统和IO仿真系统采用VxWorks实时操作系统；仿真计算系统主要包括飞行动力学仿真模型和航电仿真模型；IO仿真系统包括电气接口模型、数据链仿真模型和IO调度模型；IO仿真系统实现相关仿真模型与飞行控制计算机实时数据交互；

信号调理单元是一套基于电信号特性变换的信号调理系统，实现电气信号的调理；

信号断连系统实现仿真信号的断连与手动信号采集功能；

故障注入系统实现信号短路、信号断路、外部故障源信号注入；

整体硬件交联关系图如图2所示：

本发明的一种无人机半物理仿真系统总共安装部署6台计算机，包括独立设置的地面站指挥仿真计算机、视景计算机、仿真管理计算机、仿真计算机和IO仿真计算机，且每台计算机对应安装部署软件设计如图3所示：

地面站仿真系统嵌入地面站指挥仿真计算机内，视景仿真系统嵌入视景计算机内，ICD管理软件、故障注入系统控制软件、信号断连系统控制软件和仿真管理系统均嵌入仿真管理计算机内；

仿真计算系统嵌入仿真计算机内，IO仿真系统嵌入IO仿真计算机内；

还包括模型开发计算机，在本发明的半物理仿真运行环境中，部署了一套半物理放真系统模型开发与编译环境，它能够帮助试验人员随时创建、调整、部署试验所需的数学模型；

本发明的一种无人机半物理仿真系统中的各系统的功能如下：

（1）地面站仿真系统：地面站仿真软件由地面站数据处理模块，综合监控软件模块，航线规划地图显示模块，指令控制模块、数据显示模块组成，每个功能界面显示在地面站方舱相应显示器上。软件应采用标准仪表、图形、文字等方式，能够直观地显示无人机飞行状态、任务设备状态等信息；

（2）视景仿真系统：视景软件采用Unity3D引擎开发实现。Unity3D是由UnityTechnologies开发的一个可轻松创建诸如三维视频游戏、建筑可视化、实时三维动画等类型互动内容的多平台综合型游戏开发工具，是一个全面整合的专业游戏引擎；

（3）仿真管理系统：仿真管理软件实现对仿真环境的综合管理，具体功能包括模型管理、仿真控制、参数设置、场景配置功能。仿真管理软件的开发采用B/S结构，B/S结构（Browser/Server，浏览器/服务器模式），是WEB兴起后的一种网络结构模式，WEB浏览器是客户端最主要的应用软件。这种模式统一了客户端，将系统功能实现的核心部分集中到服务器上，简化了系统的开发、维护和使用。客户机上只要安装一个浏览器，本项目使用谷歌浏览器，服务器安装MySQL数据库。浏览器通过Web Server同数据库进行数据交互；

（4）仿真计算系统：仿真计算系统嵌入仿真计算机内，仿真计算机硬件由一台安装了vxWorks实时操作系统的计算机组成；仿真计算机的职责是对系统中的数学模型进行实时解算。本发明描述的半物理仿真系统中涉及的数学模型包括飞行动力学模型和航电仿真模型，具体包括：气动模型、运动学模型、地面处理模型、大气模型、大气紊流风场模型和舵机模型、舵机控制系统模型、燃油子系统模型、发动机模型；

上述各数学模型通过Matlab Simulink下构建，并通过编译生成在VxWorks下的可执行代码；

（5）IO仿真系统：IO仿真系统嵌入IO仿真计算机内，IO仿真计算机是一台CPCI工控机及各种接口板卡组成；它一方面将仿真计算机模型解算的结果为接入的实物设备——飞行控制计算机提供运行所需要的激励信号：串口信号、模拟量信号、离散量信号，另一方面，IO仿真计算机通过接口板卡采集飞行控制计算机在运行中生成的电气信号，并转发给仿真计算机；

仿真计算机、IO仿真计算机以及光纤反射内存网，组成了本发明半物理仿真系统的实时解算环境，它们和被测实物之间的数据交互关系可由图4所示；

（6）信号调理单元：信号调理为离散量调理，离散量输入调理单元的特性有：32通道通用离散量输入调理单元能够调理最大±40V离散量输入信号，对信号进行防浪涌、防抖、电气隔离、电平转换等调理；可防止1500Vrms瞬间电压浪涌、600W瞬间功率浪涌，电气隔离使用光电隔离技术，隔离电压2500Vrms，输出为TTL或LVTTL信号；

离散量输出调理单元的特性有：32通道通用离散量输出调理单元能够调理TTL或LVTTL信号，对信号进行防抖、电气隔离、电平转换、功率驱动等调理；输出300VDC/300W功率信号，使用电控机械隔离技术，隔离介质耐压2000VAC，功率驱动5A；

（7）信号断连系统采用100路信号断连板卡，包括10路大电流信号断连和90路小电流信号断连；信号断连系统是一套针对模拟仿真测试系统的通用辅助设备，在模拟仿真系统进行半实物仿真时或大系统故障诊断时，通过信号断连系统将标准仪器接入环境中或将被测实物信号通路与模拟仿真测试系统通路断开，提高被测系统测试排故效率；

（8）故障注入系统：本发明中的故障注入系统，由线间故障单元、单点故障单元、外部故障源输入单元三个模块组成；

线间故障单元：

有16通道，能够最大注入300VDC、10A的通用离散量，5ms切换时间，除能够在故障注入系统中被故障注入管理软件设置外，还能通过串口总线单独控制工作；

单点故障单元：

具有16通道，能够最大注入60VDC、3A（瞬时5A）的单点故障，5ms切换时间，除能够在故障注入系统中被故障注入管理软件设置外，还能通过串口总线单独控制工作；

外部故障源输入单元：

具有8通道，通道间相互物理隔离，5ms切换时间，除能够在故障注入系统中被故障注入管理软件设置外，还能通过串口总线单独控制工作；

本发明的系统还配备了周边配套设备座舱座椅与飞行操纵设备；

还包括拼接屏，半物理仿真系统中的拼接屏由6块55寸液晶显示屏拼接而成，能够更直观地展现无人机当前的姿态、位置以及当前虚拟视景。

Claims

1.一种无人机半物理仿真系统，其特征在于，包括仿真管理系统，仿真管理系统连接仿真计算系统，仿真计算系统连接IO仿真系统，IO仿真系统连接飞行控制计算机；

所述仿真管理系统将仿真调度、仿真参数传输至仿真计算系统，仿真计算系统将仿真状态和仿真数据反馈至仿真管理系统，仿真计算系统通过反射内存网将模型激励数据传输至IO仿真系统，IO仿真系统通过反射内存网将被测物反馈数据反馈至仿真计算系统，IO仿真系统将激励信号传输至飞行控制计算机，飞行控制计算机将反馈信号传输至IO仿真系统，飞行控制计算机连接电源。

2.根据权利要求1所述的一种无人机半物理仿真系统，其特征在于，所述IO仿真系统与飞行控制计算机之间连接有信号调理单元，所述信号调理单元为离散量调理，用于飞行控制计算机与实时仿真系统中电信号的调理。

3.根据权利要求1所述的一种无人机半物理仿真系统，其特征在于：所述IO仿真系统与飞行控制计算机之间连接有信号断连系统，所述信号断连系统连接故障注入系统；

所述仿真管理系统包括信号断连系统控制模块和故障注入系统控制模块；

所述信号断连系统用于基于所述信号断连系统控制模块的控制实现仿真信号的断连及外部信号或设备的接入；

所述故障注入系统用于基于所述故障注入系统控制模块的控制实现信号短路、信号断路、外部故障源信号的注入。

4.根据权利要求3所述的一种无人机半物理仿真系统，其特征在于，所述信号断连系统具体为采用多路信号断连板卡，包括大电流信号断连和小电流信号断连；信号断连系统用于在模拟仿真系统进行半实物仿真时或大系统故障诊断时，通过信号断连系统将标准仪器接入环境中或将被测实物信号通路与模拟仿真测试系统通路断开。

5.根据权利要求3所述的一种无人机半物理仿真系统，其特征在于，所述故障注入系统包括线间故障单元、单点故障单元、外部故障源输入单元中的至少一个。

6.根据权利要求5所述的一种无人机半物理仿真系统，其特征在于，所述故障注入系统包括：

串口总线模块，用于控制所述线间故障单元、单点故障单元、外部故障源输入单元进行工作。

7.根据权利要求1所述的一种无人机半物理仿真系统，其特征在于，所述仿真计算系统包括飞行动力学模型和航电仿真模型；IO仿真系统包括电气接口模型、数据链仿真模型和IO调度模型，所述IO仿真系统用于仿真计算系统与飞行控制计算机实时数据交互。

8.根据权利要求1所述的一种无人机半物理仿真系统，其特征在于，所述仿真管理系统包括ICD管理模块、仿真管理模块，仿真管理系统用于实现对仿真环境的综合管理，具体功能包括模型管理、仿真控制、参数设置和场景配置。

9.根据权利要求7所述的一种无人机半物理仿真系统，其特征在于，所述仿真计算系统中飞行动力学模型具体包括气动模型、运动学模型、地面处理模型、大气模型、大气紊流风场模型；航电仿真模型包括舵机模型、舵机控制系统模型、燃油子系统模型、发动机模型，各模型通过Matlab Simulink下构建，并通过编译生成在VxWorks下的可执行代码。