十字翼布局无人机半实物仿真系统设计

都基焱　张振　史巍巍

摘 要： 针对十字翼布局无人机飞行控制系统，设计该无人机半实物仿真系统，阐述了该系统的组成、原理，并介绍了仿真软件。通过对十字翼布局无人机飞行控制系统半实物仿真结果的分析和研究，验证了PID控制律能有效地控制十字翼布局无人机悬停阶段的姿态角和高度。结果表明仿真系统为自动驾驶仪的测试评估提供了平台和依据。

关键词： 十字翼布局无人机； 半实物仿真； 飞行控制系统； PID控制律

中图分类号： TN97?34； TP391.9 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2014）05?0018?03

0 引 言

本文所涉及的十字翼布局无人机是一种具有特殊气动布局和功能特点的小型无人机（见图1），它采用非常规十字对称三角翼布局，螺旋桨置于机身上部，四个舵面对称分布于十字翼的底部，可以通过四个对称舵面的任意组合在空中灵活飞行[1?2]。其控制系统在控制模式、系统设计、控制方法和控制对象等方面发生了巨大变化，对飞行控制律方面提出了新的要求。现有的飞行控制律设计方法，难以满足该类型无人机对稳定性、鲁棒性和性能指标等方面的要求，需综合考虑气动布局、结构特点和功能用途等方面的因素，设计适合的飞行控制律以及相应的实验方法，以提高十字翼布局无人机的飞行品质。

由于飞行控制系统的实物实验代价高昂，半实物仿真是该无人机控制系统研制过程中必不可少的环节，是提高该无人机飞行品质的重要途径。与传统的数字仿真系统相比，半实物仿真将实物直接接入仿真回路，提高仿真系统的开效率和系统的仿真精度，具有可控性、可重复性和无破坏性，便于采集实验数据，节省研制经费，缩短研制周期。本文就该无人机半实物仿真系统加以探讨。

1 系统总体设计方案

半实物仿真系统主要由仿真计算机系统、环境模拟设备和接口设备组成[3]，半实物仿真平台的原理组成框图如图2所示。

仿真计算机主要用来实时计算无人机动力学和运动学方程，解算出无人机的飞行姿态，其输出的驱动信号经接口变换后驱动三轴转台，复现无人机的偏航、俯仰和滚动三个飞行姿态，使安装在转台上的飞行控制系统可以感受与实际飞行相同的无人机姿态。飞行控制系统的控制信号通过接口设备上传到仿真计算机，其中GPS、线加速度计等较难采用物理的方式连到系统中，只能通过仿真计算机进行数字仿真，整个仿真系统构成一个闭环系统。

1.1 仿真计算机系统

仿真计算机是半实物仿真系统的核心，主要进行飞行动力学方程求解和无人机各种实际飞行环境的模拟，要求仿真计算机应具有实时性、精确性和灵活性等特性。

由于半实物仿真系统对速度的要求很高，一台计算机在一个采样周期中，无法完成全部计算的问题。本半实物仿真机由两部分组成，其中一台作为仿真主控机，另一台作为仿真测控机。仿真主控机用于飞行动力学和运动学方程求解，使用Intel X86的CPU和Windows操作系统。仿真测控机用于发送和接收遥控遥测信号，同时用来进行实时仿真图形的显示，使用工控机。仿真主控机和仿真测控机之间通过以太网连接，实现了数据的传输以及信息之间的交互。

1.2 环境模拟设备

环境模拟设备主要是指三轴飞行仿真转台[4]。本文设计的小型无人机三轴飞行仿真转台尺寸较小，负载重量轻，对刚度要求不是很高。框架设计主要遵循提高精度，减小转动惯量的原则，因此，采用立式转台框架结构，外环为音叉型结构，中环为封闭的O型结构，内环为平面载物台结构，如图3所示。进行仿真试验时，转台的外框架负责无人机偏航姿态模拟，中框架负责无人机的俯仰姿态模拟，内框架负责无人机的滚转姿态模拟。仿真计算机给出的控制指令经过伺服控制卡校正后，送入内环驱动控制器，由内环电机驱动控制器放大后驱动转台轴承。在内框上安装测速机和光电码盘，可测出与实际飞行中相同的角运动，再送入主控计算机，实现闭环控制。三个框架的转角和转速对应于上述三个姿态角运动，通过三个框架的组合运动，复现无人机在空中的角运动。

1.3 接口设备

仿真计算机输出的驱动信号经接口变换后驱动三轴飞行仿真转台，接口设备同时将实物系统的控制信号上传到仿真计算机。如图4所示，仿真计算机通过串口通信将控制信号传输到发射接收模块，控制信号通过2.4 GHz无线通信模块传递到转台伺服控制系统。伺服放大器通过PWM脉宽调制方式来驱动伺服电机转动，电机驱动电流和PWM功率放大器构成电流反馈，以改善步进电机的动态品质。测速机信号经处理后反馈到速度控制器，构成速度反馈，以改善转台系统的动态性能、低速性能和非线性影响。光电码盘产生与转台轴角位移相关的正交脉冲信号，通过2.4 GHz无线通信模块传递到仿真计算机，仿真计算机经计算处理后产生的位移误差码，经过控制算法校正处理后发送到转台控制系统，构成位置反馈，以保证实验精度要求的实现。

2 系统软件设计方案

根据半实物仿真计算机系统中仿真主控机和仿真测控机所运行任务的不同，分别设计软件。

3 半实物仿真结果

通过建立的十字翼布局无人机的数学模型，对该无人机飞行控制系统悬停阶段进行了半实物仿真试验，验证小扰动分析方法和经典控制律设计方法在十字翼布局无人机控制系统设计中的有效性和控制律设计的正确性[6?7]。设定该无人机在80 m的高度空中悬停，初始扰动：滚转角[Δφ0=10°，]纵向角/横向角[Δθ0=10°]（与垂直面的夹角），高度[Δh0=80 m。]阶跃响应分别如图5所示。

由半实物仿真结果看出，在加入各扰动量后，该无人机能较快地恢复初始姿态，在80 m的空中稳定悬停，系统状态量的变化满足飞行品质要求。

4 结 语

由半实物仿真结果看出：所进行的仿真实验具有较高的可置信度，能够满足十字翼布局无人机飞行控制系统研制的需要。在其他无人机的研制中，可以通过修改无人机的数学模型、控制律和控制参数等进行仿真。

参考文献

[1] LIPERA L. The micro craft iSTAR micro air vehicle： control system design and testing [C]// Proceedings of 57th AHS International Annual Forum. Washington DC： AHS， 2001： 1?11.

[2] KIM G， YOON K， PARK H， et al. Manufacturing and performance test of rotary wing?type micro aerial vehicle [C]// Proceedings of AIAA 3rd Unmanned Unlimited Technical Conference，Workshop and Exhibit. Chicago， Illinois： AIAA， 2004： 2?4.

[3] 孟秀云，丁艳，贾庆忠，等.半实物仿真[M].北京：国防工业出版社，2013.

[4] 冯清秀.机电传动控制[M].武汉：华中科技大学出版社，2011.

[5] 张文波.Visual C++程序设计[M].北京：清华大学出版社，2010.

[6] 陈延楠.飞机飞行性能品质与控制[M].北京：国防工业出版社，2010.

[7] 刘金琨.先进PID控制Matlab仿真[M].北京：电子工业出版社，2010.

摘 要： 针对十字翼布局无人机飞行控制系统，设计该无人机半实物仿真系统，阐述了该系统的组成、原理，并介绍了仿真软件。通过对十字翼布局无人机飞行控制系统半实物仿真结果的分析和研究，验证了PID控制律能有效地控制十字翼布局无人机悬停阶段的姿态角和高度。结果表明仿真系统为自动驾驶仪的测试评估提供了平台和依据。

关键词： 十字翼布局无人机； 半实物仿真； 飞行控制系统； PID控制律

中图分类号： TN97?34； TP391.9 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2014）05?0018?03

0 引 言

本文所涉及的十字翼布局无人机是一种具有特殊气动布局和功能特点的小型无人机（见图1），它采用非常规十字对称三角翼布局，螺旋桨置于机身上部，四个舵面对称分布于十字翼的底部，可以通过四个对称舵面的任意组合在空中灵活飞行[1?2]。其控制系统在控制模式、系统设计、控制方法和控制对象等方面发生了巨大变化，对飞行控制律方面提出了新的要求。现有的飞行控制律设计方法，难以满足该类型无人机对稳定性、鲁棒性和性能指标等方面的要求，需综合考虑气动布局、结构特点和功能用途等方面的因素，设计适合的飞行控制律以及相应的实验方法，以提高十字翼布局无人机的飞行品质。

由于飞行控制系统的实物实验代价高昂，半实物仿真是该无人机控制系统研制过程中必不可少的环节，是提高该无人机飞行品质的重要途径。与传统的数字仿真系统相比，半实物仿真将实物直接接入仿真回路，提高仿真系统的开效率和系统的仿真精度，具有可控性、可重复性和无破坏性，便于采集实验数据，节省研制经费，缩短研制周期。本文就该无人机半实物仿真系统加以探讨。

1 系统总体设计方案

半实物仿真系统主要由仿真计算机系统、环境模拟设备和接口设备组成[3]，半实物仿真平台的原理组成框图如图2所示。

仿真计算机主要用来实时计算无人机动力学和运动学方程，解算出无人机的飞行姿态，其输出的驱动信号经接口变换后驱动三轴转台，复现无人机的偏航、俯仰和滚动三个飞行姿态，使安装在转台上的飞行控制系统可以感受与实际飞行相同的无人机姿态。飞行控制系统的控制信号通过接口设备上传到仿真计算机，其中GPS、线加速度计等较难采用物理的方式连到系统中，只能通过仿真计算机进行数字仿真，整个仿真系统构成一个闭环系统。

1.1 仿真计算机系统

仿真计算机是半实物仿真系统的核心，主要进行飞行动力学方程求解和无人机各种实际飞行环境的模拟，要求仿真计算机应具有实时性、精确性和灵活性等特性。

由于半实物仿真系统对速度的要求很高，一台计算机在一个采样周期中，无法完成全部计算的问题。本半实物仿真机由两部分组成，其中一台作为仿真主控机，另一台作为仿真测控机。仿真主控机用于飞行动力学和运动学方程求解，使用Intel X86的CPU和Windows操作系统。仿真测控机用于发送和接收遥控遥测信号，同时用来进行实时仿真图形的显示，使用工控机。仿真主控机和仿真测控机之间通过以太网连接，实现了数据的传输以及信息之间的交互。

1.2 环境模拟设备

环境模拟设备主要是指三轴飞行仿真转台[4]。本文设计的小型无人机三轴飞行仿真转台尺寸较小，负载重量轻，对刚度要求不是很高。框架设计主要遵循提高精度，减小转动惯量的原则，因此，采用立式转台框架结构，外环为音叉型结构，中环为封闭的O型结构，内环为平面载物台结构，如图3所示。进行仿真试验时，转台的外框架负责无人机偏航姿态模拟，中框架负责无人机的俯仰姿态模拟，内框架负责无人机的滚转姿态模拟。仿真计算机给出的控制指令经过伺服控制卡校正后，送入内环驱动控制器，由内环电机驱动控制器放大后驱动转台轴承。在内框上安装测速机和光电码盘，可测出与实际飞行中相同的角运动，再送入主控计算机，实现闭环控制。三个框架的转角和转速对应于上述三个姿态角运动，通过三个框架的组合运动，复现无人机在空中的角运动。

1.3 接口设备

仿真计算机输出的驱动信号经接口变换后驱动三轴飞行仿真转台，接口设备同时将实物系统的控制信号上传到仿真计算机。如图4所示，仿真计算机通过串口通信将控制信号传输到发射接收模块，控制信号通过2.4 GHz无线通信模块传递到转台伺服控制系统。伺服放大器通过PWM脉宽调制方式来驱动伺服电机转动，电机驱动电流和PWM功率放大器构成电流反馈，以改善步进电机的动态品质。测速机信号经处理后反馈到速度控制器，构成速度反馈，以改善转台系统的动态性能、低速性能和非线性影响。光电码盘产生与转台轴角位移相关的正交脉冲信号，通过2.4 GHz无线通信模块传递到仿真计算机，仿真计算机经计算处理后产生的位移误差码，经过控制算法校正处理后发送到转台控制系统，构成位置反馈，以保证实验精度要求的实现。

2 系统软件设计方案

根据半实物仿真计算机系统中仿真主控机和仿真测控机所运行任务的不同，分别设计软件。

3 半实物仿真结果

通过建立的十字翼布局无人机的数学模型，对该无人机飞行控制系统悬停阶段进行了半实物仿真试验，验证小扰动分析方法和经典控制律设计方法在十字翼布局无人机控制系统设计中的有效性和控制律设计的正确性[6?7]。设定该无人机在80 m的高度空中悬停，初始扰动：滚转角[Δφ0=10°，]纵向角/横向角[Δθ0=10°]（与垂直面的夹角），高度[Δh0=80 m。]阶跃响应分别如图5所示。

由半实物仿真结果看出，在加入各扰动量后，该无人机能较快地恢复初始姿态，在80 m的空中稳定悬停，系统状态量的变化满足飞行品质要求。

4 结 语

由半实物仿真结果看出：所进行的仿真实验具有较高的可置信度，能够满足十字翼布局无人机飞行控制系统研制的需要。在其他无人机的研制中，可以通过修改无人机的数学模型、控制律和控制参数等进行仿真。

参考文献

[1] LIPERA L. The micro craft iSTAR micro air vehicle： control system design and testing [C]// Proceedings of 57th AHS International Annual Forum. Washington DC： AHS， 2001： 1?11.

[2] KIM G， YOON K， PARK H， et al. Manufacturing and performance test of rotary wing?type micro aerial vehicle [C]// Proceedings of AIAA 3rd Unmanned Unlimited Technical Conference，Workshop and Exhibit. Chicago， Illinois： AIAA， 2004： 2?4.

[3] 孟秀云，丁艳，贾庆忠，等.半实物仿真[M].北京：国防工业出版社，2013.

[4] 冯清秀.机电传动控制[M].武汉：华中科技大学出版社，2011.

[5] 张文波.Visual C++程序设计[M].北京：清华大学出版社，2010.

[6] 陈延楠.飞机飞行性能品质与控制[M].北京：国防工业出版社，2010.

[7] 刘金琨.先进PID控制Matlab仿真[M].北京：电子工业出版社，2010.

摘 要： 针对十字翼布局无人机飞行控制系统，设计该无人机半实物仿真系统，阐述了该系统的组成、原理，并介绍了仿真软件。通过对十字翼布局无人机飞行控制系统半实物仿真结果的分析和研究，验证了PID控制律能有效地控制十字翼布局无人机悬停阶段的姿态角和高度。结果表明仿真系统为自动驾驶仪的测试评估提供了平台和依据。

关键词： 十字翼布局无人机； 半实物仿真； 飞行控制系统； PID控制律

中图分类号： TN97?34； TP391.9 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2014）05?0018?03

0 引 言

本文所涉及的十字翼布局无人机是一种具有特殊气动布局和功能特点的小型无人机（见图1），它采用非常规十字对称三角翼布局，螺旋桨置于机身上部，四个舵面对称分布于十字翼的底部，可以通过四个对称舵面的任意组合在空中灵活飞行[1?2]。其控制系统在控制模式、系统设计、控制方法和控制对象等方面发生了巨大变化，对飞行控制律方面提出了新的要求。现有的飞行控制律设计方法，难以满足该类型无人机对稳定性、鲁棒性和性能指标等方面的要求，需综合考虑气动布局、结构特点和功能用途等方面的因素，设计适合的飞行控制律以及相应的实验方法，以提高十字翼布局无人机的飞行品质。

由于飞行控制系统的实物实验代价高昂，半实物仿真是该无人机控制系统研制过程中必不可少的环节，是提高该无人机飞行品质的重要途径。与传统的数字仿真系统相比，半实物仿真将实物直接接入仿真回路，提高仿真系统的开效率和系统的仿真精度，具有可控性、可重复性和无破坏性，便于采集实验数据，节省研制经费，缩短研制周期。本文就该无人机半实物仿真系统加以探讨。

1 系统总体设计方案

半实物仿真系统主要由仿真计算机系统、环境模拟设备和接口设备组成[3]，半实物仿真平台的原理组成框图如图2所示。

仿真计算机主要用来实时计算无人机动力学和运动学方程，解算出无人机的飞行姿态，其输出的驱动信号经接口变换后驱动三轴转台，复现无人机的偏航、俯仰和滚动三个飞行姿态，使安装在转台上的飞行控制系统可以感受与实际飞行相同的无人机姿态。飞行控制系统的控制信号通过接口设备上传到仿真计算机，其中GPS、线加速度计等较难采用物理的方式连到系统中，只能通过仿真计算机进行数字仿真，整个仿真系统构成一个闭环系统。

1.1 仿真计算机系统

仿真计算机是半实物仿真系统的核心，主要进行飞行动力学方程求解和无人机各种实际飞行环境的模拟，要求仿真计算机应具有实时性、精确性和灵活性等特性。

由于半实物仿真系统对速度的要求很高，一台计算机在一个采样周期中，无法完成全部计算的问题。本半实物仿真机由两部分组成，其中一台作为仿真主控机，另一台作为仿真测控机。仿真主控机用于飞行动力学和运动学方程求解，使用Intel X86的CPU和Windows操作系统。仿真测控机用于发送和接收遥控遥测信号，同时用来进行实时仿真图形的显示，使用工控机。仿真主控机和仿真测控机之间通过以太网连接，实现了数据的传输以及信息之间的交互。

1.2 环境模拟设备

环境模拟设备主要是指三轴飞行仿真转台[4]。本文设计的小型无人机三轴飞行仿真转台尺寸较小，负载重量轻，对刚度要求不是很高。框架设计主要遵循提高精度，减小转动惯量的原则，因此，采用立式转台框架结构，外环为音叉型结构，中环为封闭的O型结构，内环为平面载物台结构，如图3所示。进行仿真试验时，转台的外框架负责无人机偏航姿态模拟，中框架负责无人机的俯仰姿态模拟，内框架负责无人机的滚转姿态模拟。仿真计算机给出的控制指令经过伺服控制卡校正后，送入内环驱动控制器，由内环电机驱动控制器放大后驱动转台轴承。在内框上安装测速机和光电码盘，可测出与实际飞行中相同的角运动，再送入主控计算机，实现闭环控制。三个框架的转角和转速对应于上述三个姿态角运动，通过三个框架的组合运动，复现无人机在空中的角运动。

1.3 接口设备

仿真计算机输出的驱动信号经接口变换后驱动三轴飞行仿真转台，接口设备同时将实物系统的控制信号上传到仿真计算机。如图4所示，仿真计算机通过串口通信将控制信号传输到发射接收模块，控制信号通过2.4 GHz无线通信模块传递到转台伺服控制系统。伺服放大器通过PWM脉宽调制方式来驱动伺服电机转动，电机驱动电流和PWM功率放大器构成电流反馈，以改善步进电机的动态品质。测速机信号经处理后反馈到速度控制器，构成速度反馈，以改善转台系统的动态性能、低速性能和非线性影响。光电码盘产生与转台轴角位移相关的正交脉冲信号，通过2.4 GHz无线通信模块传递到仿真计算机，仿真计算机经计算处理后产生的位移误差码，经过控制算法校正处理后发送到转台控制系统，构成位置反馈，以保证实验精度要求的实现。

2 系统软件设计方案

根据半实物仿真计算机系统中仿真主控机和仿真测控机所运行任务的不同，分别设计软件。

3 半实物仿真结果

通过建立的十字翼布局无人机的数学模型，对该无人机飞行控制系统悬停阶段进行了半实物仿真试验，验证小扰动分析方法和经典控制律设计方法在十字翼布局无人机控制系统设计中的有效性和控制律设计的正确性[6?7]。设定该无人机在80 m的高度空中悬停，初始扰动：滚转角[Δφ0=10°，]纵向角/横向角[Δθ0=10°]（与垂直面的夹角），高度[Δh0=80 m。]阶跃响应分别如图5所示。

由半实物仿真结果看出，在加入各扰动量后，该无人机能较快地恢复初始姿态，在80 m的空中稳定悬停，系统状态量的变化满足飞行品质要求。

4 结 语

由半实物仿真结果看出：所进行的仿真实验具有较高的可置信度，能够满足十字翼布局无人机飞行控制系统研制的需要。在其他无人机的研制中，可以通过修改无人机的数学模型、控制律和控制参数等进行仿真。

参考文献

[1] LIPERA L. The micro craft iSTAR micro air vehicle： control system design and testing [C]// Proceedings of 57th AHS International Annual Forum. Washington DC： AHS， 2001： 1?11.

[2] KIM G， YOON K， PARK H， et al. Manufacturing and performance test of rotary wing?type micro aerial vehicle [C]// Proceedings of AIAA 3rd Unmanned Unlimited Technical Conference，Workshop and Exhibit. Chicago， Illinois： AIAA， 2004： 2?4.

[3] 孟秀云，丁艳，贾庆忠，等.半实物仿真[M].北京：国防工业出版社，2013.

[4] 冯清秀.机电传动控制[M].武汉：华中科技大学出版社，2011.

[5] 张文波.Visual C++程序设计[M].北京：清华大学出版社，2010.

[6] 陈延楠.飞机飞行性能品质与控制[M].北京：国防工业出版社，2010.

[7] 刘金琨.先进PID控制Matlab仿真[M].北京：电子工业出版社，2010.