某滑跑型无人机综合仿真系统开发与应用

侯泊江，吴玉生，张剑锋，田心宇

(1 西北工业大学航海学院，西安 710072;2 西北工业大学第365研究所，西安 710065;3 32204部队，陕西华阴 714200)

0 引言

近年来无人机的发展迅猛，在军事和民用领域都有着广泛的应用[1]。为加快无人机的研制进度，节省研发与测试成本，半实物仿真系统在无人机的研发阶段发挥了重要的作用[2]。无人机的半实物仿真技术已发展多年，技术相对成熟[3-4]。现有的半实物仿真系统一般多建立在地面实验室的环境中，用以测试飞行控制律和无人机的飞控计算机的正确性，从而降低实装飞行的风险，具有较高的工程实用价值[5]。

中、大型固定翼无人机一般都配备有指挥测控车，在实验室环境内进行仿真时不易对测控车内的地面数据终端和指挥控制系统的软硬件进行闭环。另外，考虑到无人机在运输过程中可能需要部分拆卸，在外场飞行试验前通常需要恢复系统状态并进行完备的测试与仿真，这些需求都是实验室环境内的仿真系统无法满足的。

文中针对某滑跑型无人机设计并开发了一种外场飞行试验时使用的综合仿真系统。该仿真系统不仅可以测试无人机的飞控系统，还能将地面指挥测控车、无线电数据链、航电设备、供电设备、飞行控制与导航算法等环节进行闭环，指挥测控车内的飞行操纵手也可使用该系统根据计划航线进行模拟飞行训练。

1 系统构架

图1描述了文中提出的综合仿真系统的基本构架。参试实物有无人机机体(包括机体内部飞控系统、舵机、电刹车、供电等设备)、指挥测控车以及仿真计算机。无人机机体通过仿真电缆与仿真计算机相连接并传输相应的信号；无人机机体通过无线电数据链路与指挥测控车进行通讯。

图1 综合仿真系统构架

具体的仿真原理如图2所示。由指挥测控车装订航路信息，并通过无线电数据链下传至无人机的飞行控制计算机中。指挥测控车向下发“自动起飞”指令，仿真计算机系统启动半实物仿真试验，整个实时仿真过程开始。

图2 综合仿真系统结构原理图

仿真试验的信号流为：

1)飞行控制计算机根据指挥测控车下发的指令确定飞行模态，并由导航模块和控制模块实时计算当前时拍下各执行机构的指令并向各执行结构发送控制指令；2)各执行机构接收到控制指令后产生动作，并将动作反馈给飞行控制计算机；3)仿真计算机通过仿真电缆和数据采集卡实时采集到各执行机构的动作信号，并传入无人机数字模型中进行计算，得到无人机飞行的状态，包括姿态、速度、位置等；4)仿真计算机模拟机载传感器，根据通信协议将飞行状态信息转换成飞行控制计算机可以接收的数据格式后，将飞行状态信息发送给飞行控制计算机；5)飞行控制计算机接收到无人机的飞行状态信号后，继续由导航模块和控制模块计算得出下一拍的执行机构控制指令，由此仿真进入下一拍循环。

2 硬件设计与选型

2.1 仿真上位机

本系统采用上位机/目标机的构架。上位机用于仿真模型的建立、调试、与下载、仿真数据的实时显示与存储等功能。选用研华高性能工控机，配置Intel 4核处理器，主频2.0 GHz，内存4G，运行Windows 10 操作系统。

2.2 仿真目标机

仿真目标机的主要功能是实时运行仿真程序，包括无人机运动方程的解算、数据的采集与发送功能。选用研华高性能工控机，配置Intel 6核处理器，主频2.6 GHz，内存8G。仿真目标机还配置了若干PCI接口的数据板卡，具体选型如下：

1)AD通道。选用一块NI PCI-6259板卡，利用该板卡的32路AD采集通道对无人机执行机构的模拟量反馈信号进行采集。

2)DA通道。选用一块NI PCI-6703板卡，利用该板卡的16路DA输出通道模拟无人机的垂直陀螺、角速率陀螺等传感器信号。

3)串口通道。选用一块MOXA CP-118U-I 8通道串口卡，用以模拟惯导、GPS、高度/空速传感器、无线电高度表等传感器信号；另外还有一路串口通道用以采集刹车执行机构的刹车量反馈信息。

2.3 仿真电缆设计

针对外场试验使用需求，设计了综合仿真系统的仿真电缆，连接原理如图3所示。

图3 仿真电缆连接原理示意图

无人机正常工作时，飞控机的插座1、插座2分别与整机电缆插座1、插座2连接。仿真电缆采用三路连通的设计理念，将飞控机和整机电缆断开后，分别接于仿真电缆上，保证飞控机和整机电缆在原有信号连接关系不变的前提下，接入了仿真目标机的串口信号读写和模拟量信号读写功能。该设计的优势便是在进行综合仿真时，不需要从无人机机体中拆卸任何设备。

3 软件设计

3.1 软件环境

实时仿真系统采用Matlab Simulink Real-Time构架。上位机的人机交互界面采用GUI工具搭建，除模型编译、仿真开始与停止等基本指令外，还具有故障注入功能，包括发动机停车、机载传感器故障以及执行机构故障等。上位机软件界面如图4所示。

图4 综合仿真系统上位机软件界面

3.2 无人机数学模型

无人机所受到的合外力[6-7]在地面坐标系中表示为：

(1)

式中：∑Fxg,∑Fyg,∑Fzg为无人机受到的合外力在地面坐标系中x,y,z轴上的分量；R为变换到地面系上的空气动力向量，包括升力、阻力、侧向力；G为变换到地面系上的重力向量；P为变换到地面系上的起落架作用力向量，包括支撑力、侧向力和滑动阻力；T为变换到地面系上的发动机推力向量。

选择地面系为参考坐标系，无人机质心的运动学方程为：

(2)

V=[vxg,vyg,vzg]T为无人机在地面系的速度向量。

选择机体系为参考坐标系，无人机绕各坐标系转动的动力学方程为：

(3)

式中:[p,q,r]T为无人机绕机体系各坐标轴转动的角速度向量；[∑Mxb,∑Myb,∑Mzb]T为无人机受到外力相对于机体系各轴的合力矩向量。

3.3 无人机飞行仿真模型

根据3.2节建立的动力学/运动学模型，在Matlab/Simulink环境下建立了实时仿真所需的仿真模型，如图5所示。

图5 Simulink仿真模型

图5中，DataIn_from_Machine模块为指令采集模块，它驱动仿真机上配置的模拟量采集板卡和串口通讯板卡从飞控计算机上采集各执行机构的动作量。采集完成后将上述动作量封装成向量并传送给无人机模型。

aircraft模块为无人机运动解算模块。该模块接收到各执行机构的动作量后，结合无人机的气动数据和上一时拍的飞行状态，解算下一时拍的无人机飞行状态，并传送给DataOut_to_Machine模块。aircraft模块内部较为复杂，文中给出其计算原理图，如图6所示。

图6 aircraft模块内部无人机运动仿真解算原理

图6中“气动系数模块”完成空气动力特性计算。它利用气动数据、飞行参数和操纵面的位置，计算稳定轴上的气动系数，最后通过坐标转换计算出机体轴上的气动力和力矩，输出到“无人机六自由度模型”模块。

起落架力和力矩模块计算受前轮偏转角、刹车输入和地面支撑力和摩擦力及其相关的力矩的影响。

无人机六自由度模型部分主要完成无人机六自由度刚体运动方程的解算，综合无人机所受的各种力和力矩，解算出无人机的姿态、速度、位置等飞行状态参数。

图5中，DataOut_to_Machine模块为飞行状态发送模块，将无人机的飞行状态参数按照各机载传感器的报文格式进行组包，并驱动仿真目标机上的模拟量输出板卡和串口通讯板卡，将无人机飞行的状态发送给飞行控制计算机。

4 仿真案例

4.1 飞行全过程仿真试验

在指挥测控车上设计了某次飞行试验的航线，如图7所示。使用文中设计的综合仿真系统对飞行全过程进行仿真试验，验证无人机系统各环节的正确性与所设计航线的合理性。

图7 飞行航线

仿真结果表明，整个系统硬件接口正确可靠，飞行控制律能够满足飞行全过程的控制需求。摘取部分仿真曲线如图8所示。另外，通过仿真试验，地面操纵手进行了该航线的的模拟飞行训练，提前熟悉了整个飞行过程的细节。

图8 飞行全过程试验参数曲线

4.2 侧风干扰试验

滑跑型无人机的降落过程是影响无人机安全飞行的重要环节之一。为验证自动着陆过程受外界环境因素的干扰，通过综合真系统加入6 m/s的正侧风并保持。加入侧风干扰后无人机恢复稳定状态的部分参数曲线如图9所示。侧风干扰使无人机航向发生偏转，但控制系统能够控制无人机飞行的航迹方位角稳定在62°附近，即无人机的飞行轨迹始终对准机场跑道的方向，且航迹偏差在波动后基本控制在0附近。这说明飞行控制律使得无人机可以抵抗一定程度的侧风干扰，无人机飞行轨迹始终对准预期降落方向，能够完成正常着陆。

图9 侧风干扰试验部分参数曲线

5 结论

根据外场试验的实际需求，针对某滑跑型固定翼无人机设计了一种综合仿真系统，给出了总体构架、硬件设计选型与软件设计方案，并结合某次飞行试验任务进行了地面综合仿真试验以及飞行试验前操纵手的模拟训练。从仿真试验结果可知，该综合仿真系统方便易用，能够在对无人机大系统的闭环进行仿真验证，为定位系统问题、优化飞行任务航线及地面模拟训练提供有效手段。该综合仿真系统正应用于某外贸型滑跑无人机系统，取得了良好的效果，其模拟训练功能已成为飞行任务前不可缺少的环节。