CN113917854B - 一种面向大中型无人机的飞行控制系统半物理仿真平台 - Google Patents

Abstract

本发明一种面向大中型无人机的飞行控制系统半物理仿真平台，是利用半物理仿真平台实现无人机全过程的飞行仿真与故障模拟，根据需要在仿真系统中加入一个或多个实物设备，充分考虑其物理效应对系统的影响。首先，飞行前通过综合检测计算机对机载设备进行自检，确保飞行控制系统的完好性；其次，飞行控制计算机收到地面测控站发来的“起飞”指令后，驱动运行于仿真计算机的数字飞机模型运动，数学模型经解算后，把飞机的飞行数据返给仿真设备或实物设备，进而传给飞行控制计算机。再次，在数字飞机运行过程中，人为地注入机载设备的故障信息，检验飞行控制系统的余度管理功能。最后，在数字飞机软件界面上，对飞行数据进行分析，检验飞行仿真试验结果。

Description

一种面向大中型无人机的飞行控制系统半物理仿真平台

技术领域

本发明属于无人机飞行控制系统半物理仿真试验技术领域，特别是涉及一种面向大中型无人机的半物理仿真平台的设计。

背景技术

飞行控制系统作为无人机的“大脑”，是无人机系统设计中的核心因素，决定着无人机的飞行成败。通过飞行仿真试验可以在地面较充分地检验和验证飞行控制系统设计的正确性和鲁棒性，为无人机的试飞成功与飞行安全提供保证。

半物理仿真，又称为硬件在回路中的仿真，是指在仿真试验系统中接入部分实物设备的实时仿真。它充分考虑了实物设备物理效应的影响，具有比纯数字仿真更真实的仿真效果。

通过硬件在环的半物理仿真试验能够充分验证无人机系统设计方案的可行性，可对系统的关键技术参数进行测试与迭代优化。充分有效的半物理仿真试验可以大大缩短无人机系统的研制周期、加快研制进度，从而达到节约费用、提高成功率、降低风险的目的。

发明内容

本发明的目的是利用半物理仿真平台实现无人机全过程的飞行仿真与故障模拟，并根据需要在仿真系统中加入一个或多个实物设备，以充分考虑其物理效应对系统的影响。首先，飞行前通过综合检测计算机对机载设备(实物或仿真均可)进行自检，以确保飞行控制系统的完好性；自检完成后，通过地面测控站把飞机参数、航线等数据装订进飞行控制计算机中，并可对飞机状态进行监控。其次，飞行控制计算机收到地面测控站发来的“起飞”指令后，即可驱动运行于仿真计算机的数字飞机模型运动，该数学模型经解算后，可把飞机的飞行数据返给仿真设备或实物设备，进而传给飞行控制计算机。飞行控制计算机根据接收到的传感器数据，进行飞行控制律的解算，控制飞机按期望的状态飞行。再次，在数字飞机运行过程中，可人为地注入机载设备的故障信息，以检验飞行控制系统的余度管理功能。另外，还可实时地加入风扰动及进行气动参数拉偏试验，以检验飞行控制系统的鲁棒性。最后，可在数字飞机软件界面上，对飞行数据进行分析，以检验飞行仿真试验结果。

为了达到上述发明目的，将采用以下技术方案，请参见图1所示：

本发明一种面向大中型无人机的飞行控制系统半物理仿真平台，硬件部分包括：仿真试验器、飞行控制计算机11、地面测控站12、综合检测计算机10、三轴转台17、惯导16、总静压模拟器2、大气数据计算机1、无线电回波模拟器4、高度表3、舵机加载台5、伺服系统6等；

其中，飞行控制计算机11为系统的控制核心，仿真试验器为系统的信号交联中心。

所述仿真试验器主要集成了信号控制箱15、液晶显示器14、惯导信号测试箱13、复位按钮7、仿真计算机8、电源箱9等设备，请参见图2所示。其中，

信号控制箱15通过电缆与飞行控制计算机11相连，用于实现机载设备仿真信号与实物信号的切换，使飞行控制计算机11连接仿真信号或者实物信号。仿真信号与实物信号分别通过线缆从信号控制箱15后面板通过航空插头接入，在信号箱内部仿真信号和实物信号分别连接继电器的常闭和常开触点。继电器线圈一端接28V电源正端，另一端连接仿真/实物信号切换开关，切换开关控制相应继电器的闭合和断开，从而实现仿真信号与实物信号的切换。同时可通过前面板的断连块、U型短路块实现信号的连接与断开，方便系统调试和故障排除，请参见图4所示。该信号箱前面板主要包含18电源开关区，19飞行控制计算机A、B通道信号区，20电压测量端子，21信号切换开关区，22电压调节旋钮，23电流/电压表等功能区，请参见图3所示。各分区具体功能如下：

电源开关区18用于控制接入仿真系统的实物设备的电源；飞行控制计算机A、B通道信号区19用于输出飞行控制计算机A、B通道的各端子信号，供外部测量与排故用；直流电压测量端子20用于接入万用表表笔，可测量所调节的实际电压输出值；信号切换开关区21用于控制接入仿真系统的仿真/实物信号的切换；电压调节旋钮22用于调节实物设备所需的直流工作电压；电流/电压表23用于显示实物设备的工作电流与电压。

液晶显示器14用于显示运行在仿真计算机8上的数字飞机软件界面，可观察数字飞机的飞行状态、飞行传感器的测量数据、仿真设备的运行状态等，也可通过软件界面设置仿真初始条件、注入设备故障、加入风干扰等。

惯导信号测试箱13用于对惯导16的启动控制、信号的测试与排故。

复位按钮7通过脉冲信号实现对飞行控制计算机11的单块或多块CPU板进行复位，可模拟飞行过程中飞行控制计算机CPU故障重启后的系统工作状态。

仿真计算机8用于运行数字飞机软件，该软件可进行飞机全量非线性方程的解算，输出数字无人机的运动信息，还可设置仿真传感器(如惯导、大气数据计算机、高度表)的初始状态、故障信息、模拟部分机载设备的状态及控制实物设备信号的接入；仿真计算机8还装有多种板卡，如串口卡、模拟输入/输出卡、数字输入/输出卡、频率输入/输出卡、反射内存卡等，用于输出仿真信号、控制实物设备等。

所述飞行控制计算机11通过串行通讯(Rs232/422/485等)、模拟量(AI/AO)、数字量(DI/DO)、频率量(FIN/FOUT)等接口与仿真试验器相连接，和机载设备进行信息交互，实现机载传感器的数据采集、无人机自动飞行控制、任务设备管理等，从而实现飞行控制仿真功能。

所述地面测控站12依据飞行控制计算机11的输出结果，实时地显示无人机的遥测数据，并把遥控指令下发给飞行控制计算机11，实现对无人机的飞行控制。地面测控站12还能够实时地显示飞机的飞行状态与轨迹，并可以辅助任务规划，通过串口通信方式与飞行控制计算机11交联。

所述综合检测计算机10用于无人机的日常维护与执行飞行任务前的机载设备检测，可实现上电检测、维护检测和飞行前检测，并将检测信息发送给飞行控制计算机11，通过串口通信方式与飞行控制计算机11交联。

所述三轴转台17实时跟踪仿真计算机8发出的指令信号，控制自身的俯仰、滚动、航向运动，模拟无人机姿态角的变化，与安装在仿真计算机8内的反射内存卡形成闭合回路，通过光纤与仿真计算机交联。安装在转台上的惯导16能够实时精确地提供飞机的姿态、角速度等信息，并把测量到的姿态信息发送给飞行控制计算机11，通过串口通信方式与飞行控制计算机11交联。

所述总静压模拟器2是用于对大气数据系统进行测试的设备，能够输出与设定的高度、空速和变化率等相对应的大气总压与静压，通过IEEE488数字接口接收仿真计算机的控制指令。

所述大气数据计算机1接收来自总静压模拟器2的气压信息、大气总温传感器的温度信息以及飞行控制计算机11发送的指令信息，经解算并完成误差修正后，以串行数字量形式向飞行控制计算机11和惯导设备输出气压高度、真空速、指示空速、大气总温、大气静温、升降速度等精确的大气参数，通过串口通信方式与飞行控制计算机11交联。

所述无线电回波模拟器4主要用于静态测试、校验和标定高度表，同时也可为高度表3做动态高度仿真，通过串口通信方式与仿真计算机交联。

所述高度表3接收回波模拟器回传的给定高度回波模拟信号，经解算后得到高度、升降速率等信息，并发送给飞行控制计算机11，通过串口通信方式与飞行控制计算机11交联。

所述舵机加载台5用于为伺服舵机提供负载，来模拟无人机在空中飞行时舵面所受到的铰链力矩，接收仿真计算机的高度、空速等信息，同时将转动角度值作为舵面的偏转值，反馈给仿真计算机，可通过光纤或网线与仿真计算机8交联。

所述伺服系统6通过机械方式与舵机加载台5连接，接收飞行控制计算机11的舵机控制指令，输出力矩驱动舵机加载台5中模拟舵面的偏转，通过串口通信或PWM方式与飞行控制计算机11交联。

本发明一种面向大中型无人机的飞行控制系统半物理仿真平台，还包括仿真软件部分，仿真系统以仿真试验器为信号交互中心，又以运行于仿真计算机8上的数字飞机软件为信号的控制中心。该仿真软件主要包含：无人机数学模型解算模块、大气环境仿真模块、传感器与作动设备仿真模块、机载设备模拟模块、实物设备控制模块、仿真参数设置模块、故障模拟模块及仿真显示、数据保存与分析模块，请参见图5所示。

所述无人机数学模型解算模块根据飞机构型及气动数据，建立飞机的全量非线性方程组，采用数值积分算法进行迭代解算，获得仿真所需要的数据。同时，根据发动机模型及转速控制参数获得发动机推力，参与数学模型解算。在解算过程中，还考虑飞机在地面滑跑时，由于起落架的弹性以及地面摩擦的介入所产生相应的地反力、地面摩擦力等因素对气动力、气动力矩的影响。

所述大气环境仿真模块用于实现飞行仿真过程中大气环境的仿真，以验证飞行控制效果。

所述传感器与作动设备仿真模块包含惯导仿真模块、大气数据计算机仿真模块、高度表仿真模块、伺服作动设备仿真模块。惯导仿真模块用于模拟实物惯导，输出各种惯性数据，在有实物惯导参与的仿真中，仅使用该仿真模块的位置信息，在无实物惯导参与的仿真中，既要使用该仿真模块的位置信息，又要使用其姿态信息；大气数据计算机仿真模块用于模拟实物大气数据计算机，输出大气测量数据；高度表仿真模块用于模拟实物高度表，输出高度信息。同时，上述三个传感器仿真模块均可在输出数据上配置恒定偏差和随机误差，使仿真数据更加贴近实际。伺服作动设备仿真模块能够模拟实物作动设备的动态特性。

所述机载设备模拟模块根据飞行控制计算机发来的控制指令，模拟相应设备(如起落架、刹车、配电管理计算机、任务设备等)的运行状态(如起落架的收起或放下、刹车压力值的输出、继电器的开合、任务设备的启动或关机等)。

所述实物设备控制模块包含总静压模拟器控制模块、无线电回波模拟器控制模块、舵机加载台控制模块、三轴转台控制模块。其中，总静压模拟器控制模块根据无人机数学模型解算出的指示空速以及气压高度，通过IEEE488接口实现对总静压模拟器的控制；无线电回波模拟器控制模块根据无人机数学模型解算出的飞行高度，通过DA转换实现对回波模拟器的控制；舵机加载台控制模块根据无人机数学模型解算出的飞行高度、速度等信息，控制舵机加载台对舵机施加相应的力矩；三轴转台控制模块根据无人机数学模型解算出的三轴姿态信息，控制转台进行相应的运动。

所述仿真参数设置模块用于在软件界面上设置相应的仿真参数，如初始经纬度、气压高度等。

所述故障模拟模块用于设置设备的各种故障信息，实现对不同故障的模拟。

所述仿真显示、数据保存与分析模块能够实时地接收来自“无人机数学模型解算模块”输出的无人机各种运动信息，以三维动画形式显示飞机的运动情况，并以曲线形式实时显示主要运动参数。同时，该模块还对无人机的所有运动参数、控制量、大气扰动等数据进行记录存储，可进行事后数据分析。

本发明的有益效果在于：

本发明能够利用仿真试验器快速地在数字仿真(仅含飞行控制计算机)与半实物仿真(除飞行控制计算机之外，还可含惯导、大气数据计算机、高度表等实物)之间进行切换，便于实物设备的引入。同时，能够建立无人机的数学模型、风干扰模型、传感器与作动设备等数字模型，真实地模拟无人机的动力学及运动学特性；并将惯导、大气数据计算机、高度表等实物传感器设备接入仿真回路，提供真实的试验环境。本发明既可以进行数字仿真试验，也可进行半物理仿真试验，且在试验过程中，方便对实物设备进行检测，节约时间和人力成本；本发明可对飞行控制系统进行性能测试，以验证飞行控制律的协调性，检验飞行控制与管理软件的正确性和适应性。

附图说明

图1是本发明系统结构图。

图2是仿真试验器结构图在发明内容技术方案中第二段有具体说明。

图3是信号控制箱前面板分区图在发明内容技术方案第三段有具体说明。

图4是仿真/实物信号切换原理示意图在发明内容技术方案中第三段有具体说明。

图5是数字飞机软件组成图在发明内容有益成果之前有具体阐述。

图6是本发明的工作流程图在具体实施方式工作流程中有具体说明。

图中标号说明如下：

大气数据计算机1、总静压模拟器2、高度表3、无线电回波模拟器4、

舵机加载台5、伺服系统6、复位按钮7、仿真计算机8、

电源箱9、综合检测计算机10、飞行控制计算机11、地面测控站12、惯导信号测试箱13、液晶显示器14、信号控制箱15、惯导16、三轴转台17、

电源开关区18、飞行控制计算机A、B通道端子区19、电压测量端子20、信号切换开关区21、电压调节旋钮22、电流/电压表23。

具体实施方式

下面结合实例以及说明书附图进一步对本发明提出的一种面向大中型无人机的飞行控制系统半物理仿真平台进行详细的介绍，具体请参阅附图。

本发明的工作方式是：利用半物理仿真平台实现无人机全过程的飞行仿真与故障模拟，并根据需要在仿真系统中加入一个或多个实物设备，以充分考虑其物理效应对系统的影响。首先，飞行前通过综合检测计算机对机载设备(实物或仿真均可)进行自检，以确保飞行控制系统的完好性；自检完成后，通过地面测控站把飞机参数、航线等数据装订进飞行控制计算机中，并可对飞机状态进行监控。其次，飞行控制计算机收到地面测控站发来的“起飞”指令后，即可驱动运行于仿真计算机的数字飞机模型运动，该数学模型经解算后，可把飞机的飞行数据返给仿真设备或实物设备，进而发送给飞行控制计算机。飞行控制计算机根据接收的传感器数据，进行飞行控制律的解算，控制飞机按期望的状态飞行。再次，在数字飞机运行过程中，可人为地注入机载设备的故障信息，以检验飞行控制系统的余度管理功能。还可实时地加入风扰动及进行气动参数拉偏，以检验飞行控制系统的鲁棒性。最后，可在数字软件的界面上，对飞行数据进行分析，以对飞行仿真试验进行检验。

本发明的思路：以无人机飞行控制系统半物理仿真为目标，并充分考虑实物设备所带来的物理效应影响，实现无人机全过程的飞行仿真，还可进行机载设备故障仿真、风扰动、气动参数拉偏等试验，呈现面向大中型无人机的飞行控制系统工作过程。

以下是具体的实施步骤：

在数字仿真(仅含飞行控制计算机实物设备)中，数字飞机软件中的传感器与作动设备仿真模块接收飞行控制计算机发出的控制指令，根据舵机动态特性(可按一阶惯性环节处理，时间常数依据舵机类型而定)输出相应的舵机偏转角度，经比例转换后送入无人机数学模型解算模块。该解算模块由表示飞机模型的12个一阶微分方程组成，形式为其中x为飞机状态，由飞机质心移动速度、转动角速度、位置、姿态角共12个变量组成的向量，u为控制输入，由升降舵、副翼、方向舵、油门共4个通道输入值组成的向量，状态x受控制输入u的驱动。当飞行控制计算机发出控制信号后，u驱动飞机状态x发生变化。更新后的飞机状态返回飞行控制计算机，其根据飞机实际状态与期望状态，进行飞行控制律的更新解算，向数字飞机发出解算后的新的控制信号，从而使飞机朝着期望的状态运动，进而实现无人机飞行控制系统半实物仿真平台的闭环仿真试验验证。

在进行半物理仿真试验时，可根据需要接入其中一种或多种实物设备。若接入了全部实物设备，过程如下：无人机数学模型直接采集舵机加载台反馈的信号作为舵面偏转角度，如[-20°，-30°]，依飞机而定，实时进行飞机全量非线性方程的解算，计算结果发往总静压模拟器、无线电回波模拟器和舵机加载台等设备。各传感器和机载设备的信号，如气压高度、空速、升降速率等，经仿真试验器最终发往飞行控制计算机。利用三轴转台与惯导可以得到飞机的姿态角、角速度等信息，如俯仰角变化范围为[-90°，90°]，滚转角变化范围为[-180°，180°]，航向角变化范围在[0°，360°]，通过无线电回波模拟器与高度表、总静压模拟器与大气数据计算机则可分别实现对无线电高度和大气高度、空速等的模拟，以及通过舵机加载台为伺服舵机模拟真实空中飞行所产生的铰链力矩，得到舵面实际偏转角度，如[-20°，-30°]，依飞机而定，并发往仿真计算机。最后通过总线将信号经仿真试验器发给飞行控制计算机进行控制律解算同时形成新的控制指令，即实际状态与期望状态相比较，根据控制律得到更新后的控制指令(舵机的偏转角度)，将这些综合起来成为一个有机系统进行动态仿真试验。

在仿真过程中，根据试验大纲，可在数字飞机软件中设定传感器的各种故障，观察主备传感器(如激光惯导与光纤惯导、1号大气数据计算机与2号大气数据计算机、1号高度表与2号高度表)是否进行了切换，以检查飞控软件的余度管理功能是否正确。可在数字飞机软件中实时加入所选定的风扰动类型和量级，进行风扰动试验。可在数字飞机软件中设置所选定的气动参数拉偏值，进行气动参数拉偏试验，以检验飞行控制系统的鲁棒性。

主要的工作流程，请参见图6所示：

S1：在仿真器上电后，启动仿真计算机和飞行控制计算机，启动数字飞机仿真软件，并在仿真信号箱上选择需要接入的实物设备。这里实物设备包括惯导、大气数据计算机、高度表、伺服舵机等，需提前将实物设备连接安装好，并将实物信号接入仿真系统，可有选择地接入实物设备中的一种或部分、或全部。

如果选择接入实物设备，则开启仿真试验器上方的仿真/实物切换开关与实物电源，在实物设备启动完毕之后，进行设备自检，为后续试验做准备，随后进入S2，如果不选择接入实物设备，直接进入S2；

S2：在数字飞机软件中设置仿真初始条件，包括初始经度、初始纬度和初始气压高度等信息，并在软件界面勾选已接入的实物设备；

S3：启动综合检测计算机，运行地面检测软件，检查飞行控制计算机、仿真设备或实物设备的状态及数据是否正常，若设备状态不正常，需要重新检查设备，直到设备状态正常，若设备状态正常，进入S4；

S4：启动地面测控站上的地面站软件，将飞机参数、航线等数据装订进飞行控制计算机；待所有指令装订完毕后，通过地面站软件回报的数据逐项进行检查，判断是否正确，若回报的数据不正确，则需要重新装订指令，直到回报数据正确，若反馈数据正确，进入S5。

S5：待上述操作完成后，发送“起飞”指令，观察飞机能否正常起飞，若不能正常起飞，需要重新检查仿真设置，直到可以正常起飞，若可以正常起飞，进入S6；

S6：进行仿真试验，可在数字飞机软件中实时加入所选定的风扰动类型和量级，进行风扰动试验。加入风扰动后，数字飞机的飞行状态会发生相应的变化。若当前状态与所期望的状态不一致、或不能正常飞行时，停止试验，减小风干扰数值，重新进行仿真试验，返回S2，若状态正常，则继续进行试验，完成该试验后进入S7；

S7：在数字飞机软件中设定各种传感器的故障，观察主备传感器是否进行切换，进行故障模拟仿真试验，以检查飞控软件的余度管理功能是否正确，若主备传感器不能进行切换，检查主备传感器切换逻辑，重新进行仿真试验，返回S2，若状态正常，则继续进行试验，完成该试验后进入S8；

S8：在数字飞机软件中设置所选定的气动参数拉偏值，进行气动参数拉偏试验，以检验飞行控制系统的鲁棒性，待完成该试验后，进入S9；

S9：飞行仿真结束后，相关飞行数据会分别保存在数字飞机软件与地面站软件中。可根据数据进行事后分析，以验证仿真试验的有效性。待所有仿真试验完成后，可逐项退出仿真所用到的软件，并按启动电源相反的顺序关闭电源，若仿真试验没有完成，返回S6，继续进行试验。

最后需要特别说明的是：以上实施例仅用来说明本发明的技术方案，并非对其进行限制。本领域的技术人员在理解上述内容后，对本发明技术方案的修改或者其中部分技术特征的等同替换所得到相应的技术方案，都落入本发明的保护范围内。

Claims (9)

1.一种面向大中型无人机的飞行控制系统半物理仿真系统，其特征在于：该系统包括：仿真试验器、飞行控制计算机、地面测控站、综合检测计算机、三轴转台、惯导、总静压模拟器、大气数据计算机、无线电回波模拟器、高度表、舵机加载台及伺服系统；其中，仿真试验器为系统的信号交联中心；飞行控制计算机为系统的控制核心；

所述飞行控制计算机通过串行通讯、模拟量、数字量、频率量接口与仿真试验器相连接，和机载设备进行信息交互，实现机载传感器的数据采集、无人机自动飞行控制及任务设备管理，从而实现飞行控制仿真功能；

所述地面测控站依据飞行控制计算机的输出结果，实时地显示无人机的遥测数据，并把遥控指令下发给飞行控制计算机，实现对无人机的飞行控制；地面测控站还能够实时地显示飞机的飞行状态与轨迹，并辅助任务规划，通过串口通信方式与飞行控制计算机交联；

所述综合检测计算机用于无人机的日常维护与执行飞行任务前的机载设备检测，实现上电检测、维护检测和飞行前检测，并将检测信息发送给飞行控制计算机，通过串口通信方式与飞行控制计算机交联；

所述三轴转台实时跟踪仿真计算机发出的指令信号，控制自身的俯仰、滚动、航向运动，模拟无人机姿态角的变化，与安装在仿真计算机内的反射内存卡形成闭合回路，通过光纤与仿真计算机交联；

安装在转台上的惯导能够实时精确地提供飞机的姿态、角速度信息，并把测量到的姿态信息发送给飞行控制计算机，通过串口通信方式与飞行控制计算机交联；

所述总静压模拟器是用于对大气数据系统进行测试的设备，能够输出与设定的高度、空速和变化率相对应的大气总压与静压，通过IEEE488数字接口接收仿真计算机的控制指令；

所述大气数据计算机接收来自总静压模拟器的气压信息、大气总温传感器的温度信息以及飞行控制计算机发送的指令信息，经解算并完成误差修正后，以串行数字量形式向飞行控制计算机和惯导设备输出气压高度、真空速、指示空速、大气总温、大气静温、升降速度的大气参数，通过串口通信方式与飞行控制计算机交联；

所述无线电回波模拟器用于静态测试、校验和标定高度表，同时为高度表做动态高度仿真，通过串口通信方式与仿真计算机交联；

所述高度表接收回波模拟器回传的给定高度回波模拟信号，经解算后得到高度、升降速率信息，并发送给飞行控制计算机，通过串口通信方式与飞行控制计算机交联；

所述舵机加载台用于为伺服舵机提供负载，来模拟无人机在空中飞行时舵面所受到的铰链力矩，接收仿真计算机的高度、空速信息，同时将转动角度值作为舵面的偏转值，反馈给仿真计算机，通过光纤或网线与仿真计算机交联；

所述伺服系统通过机械方式与舵机加载台连接，接收飞行控制计算机的舵机控制指令，输出力矩驱动舵机加载台中模拟舵面的偏转，通过串口通信或PWM方式与飞行控制计算机交联；

该系统还包括仿真软件部分，仿真系统以仿真试验器为信号交互中心，又以运行于仿真计算机上的数字飞机软件为信号的控制中心；该仿真软件包含：无人机数学模型解算模块、大气环境仿真模块、传感器与作动设备仿真模块、机载设备模拟模块、实物设备控制模块、仿真参数设置模块、故障模拟模块及仿真显示和数据保存与分析模块；其中，

所述无人机数学模型解算模块根据飞机构型及气动数据，建立飞机的全量非线性方程组，采用数值积分算法进行迭代解算，获得仿真所需要的数据；同时，根据发动机模型及转速控制参数获得发动机推力，参与数学模型解算；在解算过程中，还考虑飞机在地面滑跑时，由于起落架的弹性以及地面摩擦的介入所产生相应的地反力、地面摩擦力因素对气动力、气动力矩的影响；

所述大气环境仿真模块用于实现飞行仿真过程中大气环境的仿真，以验证飞行控制效果；

所述传感器与作动设备仿真模块包含惯导仿真模块、大气数据计算机仿真模块、高度表仿真模块、伺服作动设备仿真模块；惯导仿真模块用于模拟实物惯导，输出各种惯性数据，在有实物惯导参与的仿真中，仅使用该仿真模块的位置信息，在无实物惯导参与的仿真中，既要使用该仿真模块的位置信息，又要使用其姿态信息；大气数据计算机仿真模块用于模拟实物大气数据计算机，输出大气测量数据；高度表仿真模块用于模拟实物高度表，输出高度信息；同时，上述三个传感器仿真模块均在输出数据上配置恒定偏差和随机误差，使仿真数据更加贴近实际；伺服作动设备仿真模块能够模拟实物作动设备的动态特性；

所述机载设备模拟模块根据飞行控制计算机发来的控制指令，模拟相应设备的运行状态；

所述实物设备控制模块包含总静压模拟器控制模块、无线电回波模拟器控制模块、舵机加载台控制模块、三轴转台控制模块；其中，总静压模拟器控制模块根据无人机数学模型解算出的指示空速以及气压高度，通过IEEE488接口实现对总静压模拟器的控制；无线电回波模拟器控制模块根据无人机数学模型解算出的飞行高度，通过DA转换实现对回波模拟器的控制；舵机加载台控制模块根据无人机数学模型解算出的飞行高度、速度信息，控制舵机加载台对舵机施加相应的力矩；三轴转台控制模块根据无人机数学模型解算出的三轴姿态信息，控制转台进行相应的运动；

所述仿真参数设置模块用于在软件界面上设置相应的仿真参数；

所述故障模拟模块用于设置设备的各种故障信息，实现对不同故障的模拟；

所述仿真显示、数据保存与分析模块能够实时地接收来自无人机数学模型解算模块输出的无人机各种运动信息，以三维动画形式显示飞机的运动情况，并以曲线形式实时显示运动参数；同时，该模块还对无人机的所有运动参数、控制量、大气扰动数据进行记录存储，进行事后数据分析。

2.根据权利要求1所述的一种面向大中型无人机的飞行控制系统半物理仿真系统，其特征在于：仿真试验器集成了信号控制箱、液晶显示器、惯导信号测试箱、复位按钮、仿真计算机及电源箱；

信号控制箱通过电缆与飞行控制计算机相连，用于实现机载设备仿真信号与实物信号的切换，使飞行控制计算机连接仿真信号或者实物信号；

液晶显示器用于显示运行在仿真计算机上的数字飞机软件界面，观察数字飞机的飞行状态、飞行传感器的测量数据、仿真设备的运行状态，或者通过软件界面设置仿真初始条件、注入设备故障、加入风干扰；

惯导信号测试箱用于对惯导的启动控制、信号的测试与排故；

复位按钮通过脉冲信号实现对飞行控制计算机的单块或多块CPU板进行复位，模拟飞行过程中飞行控制计算机CPU故障重启后的系统工作状态；

仿真计算机用于运行数字飞机软件，该软件进行飞机全量非线性方程的解算，输出数字无人机的运动信息，还设置仿真传感器的初始状态、故障信息、模拟部分机载设备的状态及控制实物设备信号的接入。

3.根据权利要求2所述的一种面向大中型无人机的飞行控制系统半物理仿真系统，其特征在于：仿真信号与实物信号分别通过线缆从信号控制箱后面板通过航空插头接入，在信号箱内部仿真信号和实物信号分别连接继电器的常闭和常开触点；继电器线圈一端接28V电源正端，另一端连接仿真/实物信号切换开关，切换开关控制相应继电器的闭合和断开，从而实现仿真信号与实物信号的切换；同时通过前面板的断连块、U型短路块实现信号的连接与断开，方便系统调试和故障排除。

4.根据权利要求1或2所述的一种面向大中型无人机的飞行控制系统半物理仿真系统，其特征在于：信号控制箱前面板包含电源开关区、飞行控制计算机A、B通道信号区、电压测量端子、信号切换开关区、电压调节旋钮及电流/电压表；其中，电源开关区用于控制接入仿真系统的实物设备的电源；飞行控制计算机A、B通道信号区用于输出飞行控制计算机A、B通道的各端子信号，供外部测量与排故用；直流电压测量端子用于接入万用表表笔，测量所调节的实际电压输出值；信号切换开关区用于控制接入仿真系统的仿真/实物信号的切换；电压调节旋钮用于调节实物设备所需的直流工作电压；电流/电压表用于显示实物设备的工作电流与电压。

5.根据权利要求1或2所述的一种面向大中型无人机的飞行控制系统半物理仿真系统，其特征在于：仿真计算机还装有串口卡、模拟输入/输出卡、数字输入/输出卡、频率输入/输出卡及反射内存卡，用于输出仿真信号、控制实物设备。

6.一种面向大中型无人机的飞行控制系统半物理仿真系统的仿真方法，其特征在于：在数字仿真中，数字飞机软件中的传感器与作动设备仿真模块接收飞行控制计算机发出的控制指令，根据舵机动态特性输出相应的舵机偏转角度，经比例转换后送入无人机数学模型解算模块；该解算模块由表示飞机模型的12个一阶微分方程组成，形式为其中x为飞机状态，由飞机质心移动速度、转动角速度、位置、姿态角共12个变量组成的向量，u为控制输入，由升降舵、副翼、方向舵、油门共4个通道输入值组成的向量，状态x受控制输入u的驱动；当飞行控制计算机发出控制信号后，u驱动飞机状态x发生变化；更新后的飞机状态返回飞行控制计算机，根据飞机实际状态与期望状态，进行飞行控制律的更新解算，向数字飞机发出解算后的新的控制信号，从而使飞机朝着期望的状态运动，进而实现无人机飞行控制系统半实物仿真系统的闭环仿真试验验证。

7.根据权利要求6所述的一种面向大中型无人机的飞行控制系统半物理仿真系统的仿真方法，其特征在于：在进行半物理仿真试验时，根据需要接入其中一种或多种实物设备；若接入了全部实物设备，过程如下：无人机数学模型直接采集舵机加载台反馈的信号作为舵面偏转角度，依飞机而定，实时进行飞机全量非线性方程的解算，计算结果发往总静压模拟器、无线电回波模拟器和舵机加载台设备；各传感器和机载设备的信号，经仿真试验器最终发往飞行控制计算机；利用三轴转台与惯导得到飞机的姿态角、角速度信息，通过无线电回波模拟器与高度表、总静压模拟器与大气数据计算机则分别实现对无线电高度和大气高度、空速的模拟，以及通过舵机加载台为伺服舵机模拟真实空中飞行所产生的铰链力矩，得到舵面实际偏转角度，依飞机而定，并发往仿真计算机；最后通过总线将信号经仿真试验器发给飞行控制计算机进行控制律解算同时形成新的控制指令，即实际状态与期望状态相比较，根据控制律得到更新后的控制指令，综合起来成为一个有机系统进行动态仿真试验。

8.根据权利要求6或7所述的一种面向大中型无人机的飞行控制系统半物理仿真系统的仿真方法，其特征在于：在仿真过程中，在数字飞机软件中设定传感器的各种故障，观察主备传感器是否进行了切换，以检查飞控软件的余度管理功能是否正确；在数字飞机软件中实时加入所选定的风扰动类型和量级，进行风扰动试验；在数字飞机软件中设置所选定的气动参数拉偏值，进行气动参数拉偏试验，以检验飞行控制系统的鲁棒性。

9.一种面向大中型无人机的飞行控制系统半物理仿真系统的工作方法，其特征在于：

S1：在仿真器上电后，启动仿真计算机和飞行控制计算机，启动数字飞机仿真软件，并在仿真信号箱上选择需要接入的实物设备；这里实物设备包括惯导、大气数据计算机、高度表、伺服舵机，需提前将实物设备连接安装好，并将实物信号接入仿真系统，有选择地接入实物设备中的一种、部分或全部；

如果选择接入实物设备，则开启仿真试验器上方的仿真/实物切换开关与实物电源，在实物设备启动完毕之后，进行设备自检，为后续试验做准备，随后进入S2，如果不选择接入实物设备，直接进入S2；

S2：在数字飞机软件中设置仿真初始条件，包括初始经度、初始纬度和初始气压高度信息，并在软件界面勾选已接入的实物设备；

S3：启动综合检测计算机，运行地面检测软件，检查飞行控制计算机、仿真设备或实物设备的状态及数据是否正常，若设备状态不正常，需要重新检查设备，直到设备状态正常，若设备状态正常，进入S4；

S4：启动地面测控站上的地面站软件，将飞机参数、航线数据装订进飞行控制计算机；待所有指令装订完毕后，通过地面站软件回报的数据逐项进行检查，判断是否正确，若回报的数据不正确，则需要重新装订指令，直到回报数据正确，若反馈数据正确，进入S5；

S5：待上述操作完成后，发送“起飞”指令，观察飞机能否正常起飞，若不能正常起飞，需要重新检查仿真设置，直到正常起飞，若正常起飞，进入S6；

S6：进行仿真试验，在数字飞机软件中实时加入所选定的风扰动类型和量级，进行风扰动试验；加入风扰动后，数字飞机的飞行状态会发生相应的变化；若当前状态与所期望的状态不一致、或不能正常飞行时，停止试验，减小风干扰数值，重新进行仿真试验，返回S2，若状态正常，则继续进行试验，完成该试验后进入S7；

S7：在数字飞机软件中设定各种传感器的故障，观察主备传感器是否进行切换，进行故障模拟仿真试验，以检查飞控软件的余度管理功能是否正确，若主备传感器不能进行切换，检查主备传感器切换逻辑，重新进行仿真试验，返回S2，若状态正常，则继续进行试验，完成该试验后进入S8；

S8：在数字飞机软件中设置所选定的气动参数拉偏值，进行气动参数拉偏试验，以检验飞行控制系统的鲁棒性，待完成该试验后，进入S9；

S9：飞行仿真结束后，飞行数据会分别保存在数字飞机软件与地面站软件中；根据数据进行事后分析，以验证仿真试验的有效性；待所有仿真试验完成后，逐项退出仿真所用到的软件，并按启动电源相反的顺序关闭电源，若仿真试验没有完成，返回S6，继续进行试验。