CN202230330U - 民用固定翼无人飞行器物理仿真试验平台 - Google Patents

Abstract

一种民用固定翼无人飞行器物理仿真试验平台，有设置在飞行器中的机载部分和向机载部分提供电源的动力电源单元，设置在地面的通过数据链与机载部分进行通信的地面监控系统，机载部分有依次相连的传感器单元、中央处理器单元、模拟开关和舵机组单元，中央处理器单元还连接与第一接收天线相连的机载数传电台，地面监控系统有依次相连的手动驾驶机构、计算机、转换电路和地面数传电台，地面数传电台设置有与第一接收天线相对应的第一发射天线。本实用新型为评价控制系统控制效果和改进控制系统提供一个参考，以便用于对飞行控制系统设计过程中的控制算法进行测试与分析，降低研发成本，进而提高控制设计的效率，进一步提高飞行器设计过程中的飞行安全性和可靠性。

Description

民用固定翼无人飞行器物理仿真试验平台

技术领域

本实用新型涉及一种仿真试验平台。特别是涉及一种可以提供一个高效的研发辅助平台，进一步提高飞行器设计过程中飞行安全性和可靠性的民用固定翼无人飞行器物理仿真试验平台。

背景技术

无人驾驶飞行器(UAV)，简称无人机，是一种以无线电遥控或自身程序控制为主的无人驾驶飞行器，诞生于20世纪初期。微小型无人机(SUAV)一般指翼展在2m左右、起飞重量在15kg以下的无人机。微小型无人机用途广泛，可用于观测、勘探等民用用途，也可用于军事训练。由于飞机体积小、重量轻、灵活机动、成本低，所以微小型无人机显示出极大的优越性。微小型无人机除了无线电遥控飞行外，常常还需要实现自主导航。为了实现自主导航，无人机必需装有自动驾驶仪，由于小型无人机易受外界环境因素干扰，那么就要求飞行控制系统具有实时性、可靠性和嵌入性等特点。这样对设计出的控制算法的仿真也成为控制系统设计者需要解决的问题。通常的数字仿真和半实物仿真实验不能很好的模拟出飞机飞行真实环境中的不确定因素。

发明内容

本实用新型所要解决的技术问题是，提供一种可以作为小型无人飞行器系统的试验仿真平台，对飞行控制系统设计过程中的控制算法进行测试与分析，为评价控制系统控制效果和改进控制系统提供一个很好的参考，也可以用作大批量数据采集，数据传输，数据链，伺服控制系统控制仿真的民用固定翼无人飞行器物理仿真试验平台。

本实用新型所采用的技术方案是：一种民用固定翼无人飞行器物理仿真试验平台，包括有设置在飞行器中的机载部分和向机载部分提供电源的动力电源单元，设置在地面的通过数据链与机载部分进行通信的地面监控系统，所述的机载部分包括依次相连的传感器单元、中央处理器单元、模拟开关和舵机组单元，所述的中央处理器单元还连接与第一接收天线相连的机载数传电台，所述的地面监控系统包括有依次相连的手动驾驶机构、计算机、转换电路和地面数传电台，所述的地面数传电台设置有与所述的第一接收天线相对应的第一发射天线。

所述的机载部分中的模拟开关还连接与第二接收天线相连的遥控接收机，所述的地面监控系统中还设置有手动遥控器，所述的手动遥控器设置有与所述的第二接收天线相对应的第二发射天线。

所述的传感器单元包括有通过第一电平转换电路与中央处理器单元相连的GPS接收机、通过第二电平转换电路与中央处理器单元相连的惯性测量单元以及分别通过信号处理电路与中央处理器单元相连的高度传感器和空速传感器。

所述的机载数传电台通过第三电平转换电路与中央处理器单元相连。

所述的舵机组单元包括有升降舵、副翼、油门和方向舵。

所述的遥控接收机还通过信号处理电路连接中央处理器单元。

本实用新型的民用固定翼无人飞行器物理仿真试验平台，以实际物理大气环境为背景，提供一个安全可靠的无人驾驶飞行器的真实的飞行环境。系统通过设定飞行器的俯仰角、横滚角、高度空速、起始点和目标点等信息，通过实际的无人飞行器在低空环境下的飞行试验来测试姿态控制律和导航、制导控制算法的实际效果。无人飞行器物理仿真试验平台可以提供一个高效的研发辅助平台，能够为评价控制系统控制效果和改进控制系统提供一个很好的参考，以便用于对飞行控制系统设计过程中的控制算法进行测试与分析，降低研发成本，进而提高控制设计的效率，进一步提高飞行器设计过程中的飞行安全性和可靠性。

附图说明

图1是本实用新型的系统结构框图；

图2是本实用新型机载部分构成结构框图；

图3是主程序流程图；

图4是数据采集和处理流程图；

图5是地面数据报告解析流程图。

其中：

1：动力电源单元                  2：传感器单元

3：中央处理器单元                4：模拟开关

5：舵机组单元                    6：机载数传电台

7：遥控接收机                    8：第一接收天线

9：第二接收天线                  10：手动驾驶机构

11：计算机                       12：转换电路

13：地面数传电台                 14：手动遥控器

15：第一发射天线                 16：第二发射天线

21：GPS接收机                    22：惯性测量单元

23：高度传感器                   24：空速传感器

31：第一电平转换电路             32：第二电平转换电路

33：信号处理电路                 34：第三电平转换电路

35：信号处理电路                 36：复位、电源

37：存储器                       38：JTAG接口

51：升降舵                       52：副翼

53：油门                          54：方向舵

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本实用新型的民用固定翼无人飞行器物理仿真试验平台做出详细说明。

如图1所示，本实用新型的民用固定翼无人飞行器物理仿真试验平台，包括有设置在飞行器中的机载部分A和向机载部分A提供电源的动力电源单元1，设置在地面的通过数据链(数据链的主要特点是信息按照规定的格式，实时、自动、保密地进行传输和交换，从而实现信息资源的共享，最大限度地提高相互的协调能力和整体的传输效能。)与机载部分A进行通信的地面监控系统B，所述的机载部分A包括依次相连的传感器单元2、中央处理器单元3、模拟开关4和舵机组单元5，所述的舵机组单元5包括有升降舵51、副翼52、油门53和方向舵54。舵机组单元5用于接收来自用中央处理器PWM信号发生器发出的控制信号，从而改变飞机的飞行轨迹和姿态。所述的中央处理器单元3还连接与第一接收天线8相连的机载数传电台6，所述的机载数传电台6通过第三电平转换电路34与中央处理器单元3相连，用于接收来自地面站的控制指令和遥控信号。所述的机载数传电台6采用型号为FY606数传模块的芯片。所述的地面监控系统B包括有依次相连的手动驾驶机构10、计算机11、转换电路12和地面数传电台13，所述的地面数传电台13设置有与所述的第一接收天线8相对应的第一发射天线15。本实用新型中所述的中央处理器单元3采用型号为TMS320F28335的微处理器。

如图2所示，所述的机载部分A中的模拟开关4还连接与第二接收天线9相连的遥控接收机7，所述的地面监控系统B中还设置有手动遥控器14，所述的手动遥控器14设置有与所述的第二接收天线9相对应的第二发射天线16，所述的模拟开关4采用型号为CD4053的芯片。所述的遥控接收机7还通过信号处理电路35连接中央处理器单元3，所述的信号处理电路35采用型号为LM358的芯片。当飞机自动控制出现错误时，通过地面软件强制切换到收到遥控，以便飞机能够安全着陆。

所述的传感器单元2包括有通过第一电平转换电路31与中央处理器单元3相连的GPS接收机21、通过第二电平转换电路32与中央处理器单元3相连的惯性测量单元22以及分别通过信号处理电路33与中央处理器单元3相连的高度传感器23和空速传感器24。

本实用新型的民用固定翼无人飞行器物理仿真试验平台的地面监控系统B中：

手动驾驶机构10采用现有的飞机模拟装置，与计算机11连接，当飞机自动控制出现错误时，例如出现俯仰角过大、横滚角过大，高空失速等情况时通过地面软件强制切换手动驾驶模式，以便于飞机平稳飞行时再进行其它实验。

地面数传电台13与计算机11连接，它们之间通过串口转USB的转换电路连接，用于发送控制指令和来自手动驾驶机构的控制信号。

手动遥控器14单独放置于地面监控系统，当地面数传电台13出现故障或者通信连路出现中断等情况时用手动遥控器控制无人飞行器物理模型安全着陆。

本实用新型的民用固定翼无人飞行器物理仿真试验平台所涉及的部件：

垂直陀螺仪为CS-VG-03型垂直陀螺仪；空速传感器型号为Airspeed MicroSensor V3；高度传感器型号为Altimeter MicroSensor V3；数传电台型号为FY606数传模块；GPS为JUPITER12。

本实用新型的民用固定翼无人飞行器物理仿真试验平台的机载部分A：

1)物理仿真模型选择比例尺寸和某型微小型无人机为1∶1的模型。

2)中央处理单元3选择TMS320F28335 DSP芯片，该器件的精度高，成本低，功耗小，性能高，外设集成度高，数据以及程序存储量大。其具有150MHz的高速处理能力，具备32位浮点处理单元，6个DMA通道支持ADC、McBSP和EMIF，有多达18路的PWM输出，其中有6路为更高精度的PWM输出(HRPWM)，12位16通道ADC。其浮点运算单元使得用户可快速编写控制算法而无需在处理小数操作上耗费过多的时间和精力，从而简化软件开发，缩短开发周期，降低开发成本。

中央处理单元3用于处理地面站发送来的控制指令和来自传感器反馈信息，并按照控制规律产生PWM波通过控制舵机组来控制飞机的飞行轨迹和姿态。

3)GPS接收机21与中央处理单元3连接，由于选用的GPS采用的是CMOS电平，通过串口扩展电路连接到DSP的异步串口SCIA，为无人飞行器物理模型的飞行提供经度，纬度，高度，仰角，速度，航向，时间等信息。

4)IMU模块22与中央处理单元3连接，由于选用的IMU采用的通讯协议为RS422，通过转换电路连接到DSP的异步串口SCIB，为无人飞行器物理模型的飞行提供三个轴的加速度，三个轴的角速率，以及俯仰角，横滚角等信息。

5)高度传感器23、空速传感器24和中央处理单元3连接，挂接在DSP的I2C总线上，为无人飞行器物理模型的飞行提供高度和空速信息。

6)机载数传电台6和中央处理单元3连接，用于接收来自地面站的控制指令和遥控信号，以及定时的向地面监控系统发送无人飞行器物理模型在飞行时的位置和姿态信息。

7)自动强制切换到信号处理电路35和中央处理单元3连接，当机载数传电台6出现故障或者通信连路出现中断等情况时，用于接收来自遥控接收机7的一路信号，并经过信号放大和比较电路产生一个自动强制转换为手动的外部中断信号。

8)复位、电源36和中央处理单元3连接，为DSP、传感器单元、机载数传电台6以及外围电路供电。

9)JTAG接口38和中央处理单元3连接，用于地面调试和烧写程序时实用。

10)模拟开关4和中央处理单元3连接，当接收到来自DSP的模拟开关控制信号时，切换到相应的接通方式。默认状态下连通的是来自DSP的PWM信号和舵机组，当需要切换到手动遥控时，模拟开关接通来自遥控接收机的信号和舵机组。

11)舵机组5和中央处理单元3连接，用于接收来自用中央处理单元3PWM信号发生器发出的控制信号或地面手动遥控器的遥控信号，从执行相应的动作以改变飞机的飞行轨迹和姿态。

本实用新型的民用固定翼无人飞行器物理仿真试验平台的软件部分：

1)主程序部分

中央处理单元中烧写的程序包括头文件，系统初始化函数，外部接口初始化函数(事件管理器初始化函数、SCI串口初始化函数、I2C总线初始化函数)，飞行控制算法，中断服务子程序(事件管理器中断服务程序、SCI串口接收和发送中断服务程序、外部中断服务程序)，以及PWM波信号发生函数等。具体的操作流程图如附图3所示。

2)数据采集和发送部分

中央处理单元采集来自GPS，IMU，高度传感器和空速传感器的数据，提取无人飞行器物理模型的飞行位置和姿态信息放入缓存器中供飞行控制系统控制无人飞行器物理模型的位姿时使用，同时将这些数据打包向地面站定时发送。具体的操作流程图如附图4所示。

3)地面站部分

地面软件对无人飞行器物理模型下传的周期性数据报告进行解析，数据报告的解析流程如附图5所示。地面站监控软件的主界面中包括定位，发送控制参数，获取飞行参数，地图轨迹跟踪，控制仪表仿真界面等功能模块。软件主界面如图6所示。

地面监控软件将解析完毕姿态数据进行显示，并在虚拟的仪表上显示，飞行参数显示界面如图7所示。将获得的无人飞行器物理模型位置信息进行显示并在地图上显示飞行轨迹。地图轨迹跟踪如图8所示。为了测试飞行控制系统姿态控制律的控制效果，地面操作人员在软件界面上给定一个姿态信息，发送控制指令让飞机按照这个指令进行飞行，在控制界面中将实际的对应参数的实际值和给定值进行比较，以观察控制效果。

地面监控系统会根据飞行参数对无人飞行器物理模型的飞行状态做出判断，如对飞行时存在的俯仰角过大，横滚角过大，高空失速，低空降落等情况报警。

本实用新型的民用固定翼无人飞行器物理仿真试验平台的工作流程如下：

一、试验前期准备阶段，在已经编写好的程序代码中写入需要试验的飞行控制算法，并按平台提供的无人飞行器物理模型的实际性能参数做相应的控制参数调整，在地面系统调试无误后将程序烧写到中央处理单元中。

二、开启动力和信号电源，地面监控系统开启，准备试飞。地面监控系统发送控制指令，设定无人飞行器物理模型飞行路径、高度、空速等信息，并在地面监控系统软件界面上形成期望轨迹。

三、无人飞行器物理模型飞行试验中，物理模型实时的向地面监控系统发送无人飞行器物理模型的姿态信息，地面监控系统对物理模型的飞行轨迹进行跟踪，并对飞行状态进行监控并记录历史曲线，如果无人飞行器物理模型在飞行中出现故障，则强制切换到手动驾驶模式，使物理模型平稳飞行，等无人飞行器物理模型平稳飞行后再设置飞行参数进行试验。

四、用手动驾驶机构使无人飞行器物理模型平稳飞行，再输入某个控制参数，控制无人飞行器物理模型按照给定姿态飞行，在地面接收实时飞行的对应参数，并在坐标轴上表示。形成实时的仿真曲线，并对试验效果进行分析。

五、重复步骤四进行多个试验，当飞行中由于某个误动作造成无人飞行器物理模型出现报警，则重复步骤三。如果数传电台出现故障，或者系统的通讯出现中断，则通过地面的手动遥控器强制切换到手动遥控状态，以保证飞机安全着陆。

六、对实验结果进行分析，分析控制系统的控制效果。如果控制效果不理想，则可以根据实验数据修改控制参数，再重复步骤一到六，直到达到理想的控制效果为止。

下面是选用一种飞行控制算法在本实用新型的民用固定翼无人飞行器物理仿真试验平台进行物理仿真试验的实例：

一、将这种飞行控制算法编写成C语言程序代码写入实验平台已经编写好的模块化的程序代码中，进行全局变量连接，并按平台提供的无人飞行器物理模型的实际性能参数做相应的控制参数调整，在地面系统调试，待调试无误后将程序通过图2所示的JTAG 38烧写到中央处理单元3中TMS320F28335 DSP芯片中。

二、开启机载动力和信号电源1，地面站开启，准备试飞。通过图1所示的手动驾驶机构10使无人飞行器物理模型起飞并且平稳飞行，等物理模型平稳飞行后切换到自动飞行模式，地面站通过地面站主界面的目标参数区输入控制指令，点击主界面中的发送控制参数按钮，控制指令通过图1所示的地面数传电台13发送给图2所示的机载数传电台6设定中央处理单元3起始点、目标点。在这里控制参数设定如下：

起始经度：117.3369°

起始纬度：30.1106°

目标经度：117.3308°

目标纬度：39.1093°

在无人飞行器物理模型飞行时，在某一时刻地面站接收到的数据显示在飞行参数区中。

经度：117.3312°

纬度：39.1096°

速度：11.48m/s

高度：33.68m

X轴加速度：-0.004g

Y轴角速率：-0.100g

Z轴角速率：-1.000g

X轴角速率：-0.004g

Y轴加速度：-0.100g

Z轴加速度：-1.000g

俯仰角：-0.205°

横滚角：5.332°

航向角：36.04°

日期：2011年9月15日

时间：16:06

卫星状态：正常

某一时刻无人飞行器物理模型的虚拟仪表指示界面显示，当出现俯仰角过大，横滚角过大，高空失速，低空降落等情况报警系统报警，提示信息在显示界面上的警告/故障信息提示框上显示。

三、当无人飞行器物理模型平稳飞行时，把主界面中目标信息中的俯仰角给定值设定为10°，控制参数通过地面数传电台传送给无人飞行器物理模型，中央处理单元按照地面控制指令对无人飞行器物理模型的姿态进行控制，并通采集来自图2所示的GPS模块21、IMU(垂直陀螺仪)22、高度传感器23、空速传感器24的信息，并将这些数据传给中央处理单元3以便于控制器对无人飞行器物理模型的姿态进行控制，与此同时，中央处理单元将这些数据打包通过机载数传电台6发送到地面站。经过一段时间后地面接收到的实际俯仰角和理论值之间的曲线图在显示界面上显示。如果无人飞行器物理模型在飞行中出现警告或者故障时，强制切换到手动驾驶模式，使无人飞行器物理模型平稳飞行，等物理模型平稳飞行后再设置飞行参数进行试验。

四、用手动驾驶摇杆使无人飞行器物理模型平稳飞行，再输入某个控制参数。把主界面中目标信息中的横滚角设定为5°，然后重复步骤三所示的数据采集和传输，经过一段时间后地面接收到的实际横滚角和理论值之间的曲线图在显示界面上显示。

五、重复步骤三、四进行多个试验，实验也可以对空速和高度的控制进行仿真，具体的步骤和俯仰角和横滚角的控制仿真的方法一样，在这里不再赘述。

六、当飞行中数传电台出现故障，或者系统的通讯出现中断，则通过图1所示的地面站中手动遥控器14强制切换到手动遥控状态，以保证无人飞行器物理模型安全着陆。

七、对实验结果进行分析，分析控制系统的控制效果。如果控制效果不理想，则可以根据实验数据修改控制参数，再重复步骤一到七，直到达到理想的控制效果为止。

Claims (6)

1.一种民用固定翼无人飞行器物理仿真试验平台，其特征在于，包括有设置在飞行器中的机载部分(A)和向机载部分(A)提供电源的动力电源单元(1)，设置在地面的通过数据链与机载部分(A)进行通信的地面监控系统(B)，所述的机载部分(A)包括依次相连的传感器单元(2)、中央处理器单元(3)、模拟开关(4)和舵机组单元(5)，所述的中央处理器单元(3)还连接与第一接收天线(8)相连的机载数传电台(6)，所述的地面监控系统(B)包括有依次相连的手动驾驶机构(10)、计算机(11)、转换电路(12)和地面数传电台(13)，所述的地面数传电台(13)设置有与所述的第一接收天线(8)相对应的第一发射天线(15)。

2.根据权利要求1所述的民用固定翼无人飞行器物理仿真试验平台，其特征在于，所述的机载部分(A)中的模拟开关(4)还连接与第二接收天线(9)相连的遥控接收机(7)，所述的地面监控系统(B)中还设置有手动遥控器(14)，所述的手动遥控器(14)设置有与所述的第二接收天线(9)相对应的第二发射天线(16)。

3.根据权利要求1所述的民用固定翼无人飞行器物理仿真试验平台，其特征在于，所述的传感器单元(2)包括有通过第一电平转换电路(31)与中央处理器单元(3)相连的GPS接收机(21)、通过第二电平转换电路(32)与中央处理器单元(3)相连的惯性测量单元(22)以及分别通过信号处理电路(33)与中央处理器单元(3)相连的高度传感器(23)和空速传感器(24)。

4.根据权利要求1所述的民用固定翼无人飞行器物理仿真试验平台，其特征在于，所述的机载数传电台(6)通过第三电平转换电路(34)与中央处理器单元(3)相连。

5.根据权利要求1所述的民用固定翼无人飞行器物理仿真试验平台，其特征在于，所述的舵机组单元(5)包括有升降舵(51)、副翼(52)、油门(53)和方向舵(54)。

6.根据权利要求2所述的民用固定翼无人飞行器物理仿真试验平台，其特征在于，所述的遥控接收机(7)还通过信号处理电路(35)连接中央处理器单元(3)。

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