某無人機飛控系統半實物仿真平臺設計

摘要：介紹了某型無人機飛控系統半實物仿真平臺的總體功能，闡述了該平臺的硬件選型原則、選型方案、基本功能及自制部件的設計過程，對各分系統仿真軟件設計框架進行了描述。最后，通過實際仿真對平臺的設計功能進行了驗證。該平臺也可用于對無人機飛行品質的仿真評估，以及無人機指揮操控人員的日常模擬訓練。
關鍵詞：無人機；飛行控制系統；半實物仿真；傳感器仿真

0 引言
無人機作為模擬飛機類來襲目標，可為防空武器系統的火控雷達校飛、射擊等任務提供空中靶標，是武器系統研制、鑒定過程中必不可少的裝備。作為無人機的核心組成部分之一，飛控系統通過控制無人機的姿態，從而完成無人機各種模態下的飛行任務。某無人機飛控系統現有的測試方法包括分立部件測試和部件裝機后的整機綜合測試。兩種方法均屬于常規的靜態測試，組織實施復雜、測試效率較低、任務準備周期長，而且對于無人機實際飛行過程的動態性能無法驗證，對測試中出現的故障難以定位，對于飛行中的環境干擾因素(主要是風干擾)和傳感器失效后無人機的飛行情況也無法模擬，從而無法有針對性的進行飛行控制策略修正。綜上問題，研制一套無人機飛控系統半物理仿真平臺的任務顯得尤為迫切。

1 平臺總體功能及設計方案
1．1 平臺總體功能
該平臺以現有某型無人機飛控系統為測試對象，主要完成以下功能：
(1)與無人機飛控計算機和電動舵機、油門電機等實物結合，完成飛控系統的仿真測試；
(2)具備風干擾、力矩干擾條件下的飛行性能模擬，并以二維曲線方式實時顯示無人機的飛行航跡、舵偏角、舵偏角速率等變化情況；
(3)能夠進行無人機飛控系統部分傳感器的故障設置，進行故障情況下的飛行模態仿真。
1．2 平臺總體設計方案
半物理仿真平臺由硬件設備和應用軟件兩部分組成。硬件設備包括新建的飛行系統模擬分系統、傳感器與機載測控模擬分系統、遙控／遙測模擬分系統、指揮顯示分系統、無人機外形顯示分系統，以及現有的飛控計算機、飛控計算機接口箱、電動舵機、油門電機等實物。應用軟件包括新建各分系統的應用程序。半物理仿真平臺的原理組成框圖如圖1所示。

半物理仿真平臺的工作原理概況如下：傳感器與機載測控模擬分系統通過接口箱與飛控計算機交換無人機的舵偏角、角速率、油門開度、遙控指令、外部干擾等信息，并向飛行系統模擬分系統傳輸采樣轉換后的飛控計算機執行結果，向遙控／遙測模擬分系統傳輸遙測信息(包括傳感器與機載測控模擬設備的仿真數據、故障狀態、遙控指令回令等)。飛控計算機將接收到信息進行解算處理后，控制電動舵機、油門電機執行相應動作，并將執行結果返回至傳感器與機載測控模擬分系統。飛行系統模擬分系統將解算后的飛機狀態參數送到無人機外形顯示分系統，解算后以三維動畫的形式顯示無人機的姿態、油門開度、高度變化等信息。指揮顯示分系統將收到的無人機位置、高度、速度信息在數字地圖上顯示，適時發出指揮口令，由操作手干擾無人機的飛行。無人機的三維外形、測控數據、指揮顯示界面通過KVM切換器分時在投影幕上顯示。

2 平臺硬件設計方案
2．1 平臺硬件選型原則
(1)應用軟件運行平臺選擇原則
由于該平臺屬于固定式測試設備，因此在各分系統應用軟件運行平臺的硬件應盡量采用機架式工控機或臺式計算機，主板插槽的數量和類型應相對充裕，以便于現有硬件板卡的安裝和平臺的后續功能拓展。
(2)數據采集卡的選型原則：一是保證通道數；二是保證采樣頻率；三是保證數據分辨率。
2．2 平臺硬件選擇方案
(1)傳感器與機載測控模擬分系統
該分系統包括了大量的信號采集、交換及處理任務，硬件采用工控機架構。配置數據采集卡、多串口卡以及自研的信號調理卡，完成數據采集與信息交換。
具體硬件型號和基本參數為：
工控機選用西門子547B：64位CPU處理器，4個PCI插槽，1個PCI-Ex16圖形擴展接口。
多串口卡選用MOXA CP 118U：4路RS 232／422／485 PCI串口，串口通信速率為921．6 Kb／s；板載1 5 kVESD突波保護。
D／A卡選用NI PCI-6733：8路D／A，數據更新速率1 MS／s(16b)，8路數寧I／O。
A／D卡選用NI PCIe-6259：4路D／A，數據更新速率為1 Ms／s(16 b)，32路A／D通道數；A／D采樣速率為2．8 MS／s(16 b)，48路數字I／O。
DIO卡選用NI PCIe-6503：24路數字I／O。
(2)飛行系統模擬分系統、遙控／遙測模擬分系統
這兩個分系統主要是進行無人機和測控數據的傳輸和解算，其硬件組成比較簡單，選用帶有多種類型主板插槽的普通商用臺式計算機即可，配置MOXA CP118U多串口卡。
(3)指揮顯示分系統、無人機外形顯示分系統
這兩個分系統主要是進行指揮、顯示應用軟件的運行，選用帶有多種類型主板插槽的普通商用臺式計算機即可。
2．3 自制信號調理卡設計
傳感器與機載測控模擬分系統與遙控／遙測模擬分系統、飛行系統模擬分系統、飛控計算機接口箱等部分進行數據交換時，通過D／A，A／D，DIO板卡完成信號轉換時，會受到機箱內復雜電磁環境的影響，導致輸出信號帶有很強的噪聲，需要對其進行濾波處理。另外，由于飛控計算機接口箱輸入輸出電壓均為+27 V，而D／A，A／D，DIO板卡工作電壓均為+5 V，因此還需要設計信號調理卡完成信號濾波和工作電壓的轉換。信號調理卡與外部部件連接示意圖如圖2所示。