专利名称：一种无人驾驶飞机自动驾驶仪性能测试系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种对无人驾驶飞机自动驾驶仪性能的测试装置，能够在地面上完成对自动驾驶仪控制性能的测试，有效避免了真机测试过程中坠机的风险及损失。
背景技术：
目前，自动驾驶仪作为各种普通航模飞机甚至是无人飞机的核心测控器件，其控制效能与稳定性极大地影响着无人飞行器的飞行效果与安全。考察当前的各种无人机自动驾驶仪测试平台均是面对产品质量与运行状态测试的，不具有在线的模拟与分析功能，无法直观考察自动几十亿对这种机型与天气情况的控制效能。自动驾驶仪作为典型的多输出控制器件，在研发与使用过程中很难对其进行低成本、快速、高效的全系统测试。尤其是在研发过程中危险系数很高，摔机时有发生。而且在事故发生以后故障的诊断亦很难进行。
发明内容
本发明的目的是，针对现有风机的上述不足，提供一种能够在地面上对无人驾驶飞机自动驾驶仪性能测试的系统，其可以测试各种无人机自动驾驶仪的控制可靠性，并能实时观测到控制指令在飞行中的执行情况。为了达到上述设计目的，本发明采用的技术方案如下一种无人驾驶飞机自动驾驶仪性能测试系统，是通过中央主控系统完成飞行模拟软件、六自由度转台、自动驾驶仪三个模块的数据循环通讯，使得飞行模拟软件中的飞机运行姿态与六自由度转台的输出姿态保持时间上的一致，达到对复杂的飞行情况在地面上实时模拟，同时自动驾驶仪采集六自由度转台的输出姿态数据，并经分析计算得到对此时飞行的矫正控制指令，控制指令通过中央主控系统传递给飞行模拟软件，对飞行姿态进行修正，飞行模拟软件通过中央主控系统再次将经过自动驾驶仪修正后的位置姿态数据经主控程序传递给六自由度转台，六自由度转台产生修正后的飞行姿态，此时通过中央主控系统计算飞行模拟软件的姿态数据与六自由度转台的姿态输出数据，得到对自动驾驶仪性能评价的相应时间、控制准确性的技术参数。本发明实施例所述的无人驾驶飞机自动驾驶仪性能测试系统，主要由中央主控系统、震动发生架、六自由度转台、飞行模拟软件和自动驾驶仪组成，所述中央主控系统通过数据接口分别连接六自由度转台、飞行模拟软件和自动驾驶仪，通过中央主控系统实现了六自由度转台、飞行模拟软件和自动驾驶仪之间数据的闭环循环传递；所述中央主控系统通过数据接口还连接震动发生架。其数据传递流程为一、所述飞行模拟软件支持输出飞行器位置姿态数据的功能，将这些位姿数据经过中央主控系统输入给六自由度转台，利用六自由度转台实时产生与数据相一致的方位。二、此时六自由度转台正在模拟真实飞机的飞行，自动驾驶仪利用自身的传感器、陀螺仪采集数据，并经过分析计算，得到对此时飞行的矫正控制指令，以使飞机按照指定规划飞行。三、自动驾驶仪经分析计算产生的控制指令通过中央主控系统传递给飞行模拟软件对飞行姿态进行修正；飞行模拟软件飞行模拟软件再次将经过自动驾驶仪修正后的位置姿态数据经中央主控系统传递给六自由度转台，此时六自由度转台产生修正后的飞行姿态。四、重复上述步骤，从而形成一个闭环循环传递过程。所述飞行模拟软件中输入的气等参数可以经过中央主控系统再次传入给六自由度转台，六自由度转台的震动输出姿态通过震动发生架实现，震动发生架的震动参数来源于中央主控系统接收得飞行模拟软件的飞机姿态输出数据。安装底座上安装固定测试系统中的各个设备模块，放置在平面坐标中心的为自动驾驶仪，自动驾驶仪周围安放着为其提供姿态数据的三个陀螺仪，三个陀螺仪呈χ\γ\ζ三个不同方向安装；整个系统的四个边角处安装四个震动发生架，用于产生震动；因为飞机飞行中，震动会对自动驾驶仪性能产生严重影响，四个震动发生系统用于模拟真实飞行情况。三相异步电机安装在电机支架上，同时三相异步电机转轴处安装偏心轮。电机支架用于连接震动发生装置与整个系统安装底座。采用旋转偏心轮的方式产生振动。三相异步电机的转速采用闭环控制方式，这样可以实现对转速的实时反馈控制，进而间接实现对震动频率的控制，实现了对飞机飞行情况的实时模拟。所述中央主控系统负责各个部分控制与数据采集、显示、记录、传递等，提供三种模拟测试方式。实现对震动控制、转台控制、飞行模拟软件通讯、自动驾驶仪通讯、PWM波读取、数据的多种显示方式与记录等功能。所述震动发生架可以产生4个不同频率的10ΗΖ-100ΗΖ震动，且震动幅度方向均可调节，主要由震源、震动架、闭环控制系统组成。震源震动的产生主要依靠电机带动偏心轮的旋转实现，通过控制电机转速实现对震动频率的控制；通过改变偏心程度，实现对震动振幅的控制，针对不同的震动情况，通过软件测试相应数据及分析图像。震动架用来实现对震源的固定，同时作为转台与自动驾驶仪的衔接装置，将整套自动驾驶控制系统稳定的固定在六自由度转台上，减少六自由度转台姿态与自动驾驶仪捕捉到方位的传递误差。闭环控制系统实现对电机转速的准确控制，测定及反馈电机速度的调节模块。所述震动发生架控制模块使用ARM7作为核心对震动发生架的四个振动源分别进行闭环控制，通过RS-232与中央主控系统通讯。所述采集模块使用ATmegaUS作为核心，用来采集iFly40等自动驾驶仪产生的三路控制数据，通过RS-232传回中央主控系统。所述六自由度转台可以高精度的模拟三个轴的姿态，用于姿态的产生。所述飞机模拟软件用以产生飞行姿态数据，并将控制数据传回其中，从而控制模拟飞行器，对飞行控制结果进行评估。所述遗传算法模块根据中央主控系统记录的数据完成对自动驾驶仪的控制行为拟合，算出传递矩阵，并将其应用到自动驾驶仪控制行为软件。所述该系统对自动驾驶仪的测试方案有三种1、自动驾驶仪导航飞控算法模拟测试方案；在获得飞行姿态数据后使用纯软件算法计算出控制指令，然后传回飞行模拟软件中对飞行进行控制。此方案适用于自动驾驶仪研发过程中，便于算法的验证和比较，大大降低了研发的风险，而且可以对数据进行预处理，如对飞行姿态数据添加噪声，然后验证滤波算法的使用效果，可以大大提高研发的效率。2、自动驾驶仪脱机全系统模拟测试方案；在获得飞行姿态数据后将其发送到六自由度转台控制程序，六自由度转台运行完成指定姿态，这时其上的自动驾驶仪可以通过自身的传感器获得姿态数据，进行计算输出控制指令。而由于自动驾驶仪是安装在六自由度转台的震动发生架上，所以这时可以选择是否启动震动发生架来模拟直升机的强震动情况。因此此模式下获得的控制数据是最具有真实性的，其包含了传感器、震动、姿态解算等所有实际情况。再将获得的数据经PWM波采集模块或iFly40协议解析模块传回飞行模拟软件中进行飞行控制，检验其控制情况。此模式不仅适用于研发过程，而其还可以用于产品的检验过程中，通过历史数据与当前数据的对比完全可以检验产品的运行状况。3、自动驾驶仪控制行为软件再现模拟测试方案；此方案创新性的通过记录下自动驾驶仪在自动实况模拟情况下发出的控制指令，并对其进行遗传算法拟合，然后使用生产的传递矩阵完成对目标飞机的控制。此时产生的控制指令包括震动、传感器漂移等因素对自动驾驶仪的影响，而又剔除了转台运动反应时间等外在因素对测试的影响，因此次方案可以最大程度的减小外在因素对测试的影响并提高测试的精度与准度。通过这三种方式达到在研发与使用过程中不适用真实飞机的情况下完成对自动驾驶仪在各种机型和条件下的快速、有效、高仿真测试。本发明所述的无人驾驶飞机自动驾驶仪性能测试系统的有益效果是可以在地面上完成对自动驾驶仪的测试，而且可以读出各种有关自动驾驶仪性能的数据，例如相应时间，飞行姿态坐标，三轴速度及角速度等；不但便于找出自动驾驶仪的故障所在，而且为后期改进提供了重要数据。
图1是本发明实施例所述的无人驾驶飞机自动驾驶仪性能测试系统的整体控制及数据传递原理图；图2是本发明实施例所述的无人驾驶飞机自动驾驶仪性能测试系统的模块布局图；图3是本发明实施例所述的无人驾驶飞机自动驾驶仪性能测试系统的中震动发生架的原理图；图4是本发明实施例所述的无人驾驶飞机自动驾驶仪性能测试系统的原理图；图5是本发明实施例所述的无人驾驶飞机自动驾驶仪性能测试系统的部分电路图；图6是本发明实施例所述的无人驾驶飞机自动驾驶仪性能测试系统的流程图；图7是本发明实施例所述的无人驾驶飞机自动驾驶仪性能测试系统的效果图；图8是本发明实施例所述的无人驾驶飞机自动驾驶仪性能测试系统的效果图；图9是本发明实施例所述的无人驾驶飞机自动驾驶仪性能测试系统的PD算法和 iFly40分别产生的控制数据图10是本发明实施例所述的无人驾驶飞机自动驾驶仪性能测试系统的PD算法和 iFly40分别产生的控制数据图；图11是本发明实施例所述的无人驾驶飞机自动驾驶仪性能测试系统的遗传算法运行数据图；图12是本发明实施例所述的无人驾驶飞机自动驾驶仪性能测试系统的遗传算法与iFly40控制数据记录的拟合对比图；图13是本发明实施例所述的无人驾驶飞机自动驾驶仪性能测试系统的转台运行控制曲线；图14是本发明实施例所述的无人驾驶飞机自动驾驶仪性能测试系统的转台运行控制曲线。
具体实施例方式本发明实施例所述的无人驾驶飞机自动驾驶仪性能测试系统，是通过中央主控系统完成飞行模拟软件、六自由度转台、自动驾驶仪三个模块的数据循环通讯，使得飞行模拟软件中的飞机运行姿态与六自由度转台的输出姿态保持时间上的一致，达到对复杂的飞行情况在地面上实时模拟，同时自动驾驶仪采集六自由度转台的输出姿态数据，并经分析计算得到对此时飞行的矫正控制指令，控制指令通过中央主控系统传递给飞行模拟软件，对飞行姿态进行修正，飞行模拟软件通过中央主控系统再次将经过自动驾驶仪修正后的位置姿态数据经主控程序传递给六自由度转台，六自由度转台产生修正后的飞行姿态，此时通过中央主控系统计算飞行模拟软件的姿态数据与六自由度转台的姿态输出数据，得到对自动驾驶仪性能评价的相应时间、控制准确性的技术参数。本发明实施例所述的无人驾驶飞机自动驾驶仪性能测试系统，主要由中央主控系统、震动发生架、六自由度转台、飞行模拟软件和自动驾驶仪组成，所述中央主控系统通过数据接口分别连接六自由度转台、飞行模拟软件和自动驾驶仪，通过中央主控系统实现了六自由度转台、飞行模拟软件和自动驾驶仪之间数据的闭环循环传递；所述中央主控系统通过数据接口还连接震动发生架。其数据传递流程为一、所述飞行模拟软件支持输出飞行器位置姿态数据的功能，将这些位姿数据经过中央主控系统输入给六自由度转台，利用六自由度转台实时产生与数据相一致的方位。二、此时六自由度转台正在模拟真实飞机的飞行，自动驾驶仪利用自身的传感器、 陀螺仪采集数据，并经过分析计算，得到对此时飞行的矫正控制指令，以使飞机按照指定规划飞行。三、自动驾驶仪经分析计算产生的控制指令通过中央主控系统传递给飞行模拟软件对飞行姿态进行修正；飞行模拟软件飞行模拟软件再次将经过自动驾驶仪修正后的位置姿态数据经中央主控系统传递给六自由度转台，此时六自由度转台产生修正后的飞行姿态。四、重复上述步骤，从而形成一个闭环循环传递过程。为了测试自动驾驶仪应对一些自然天气变化的控制能力，可以在飞行模拟软件中输入天气等参数(例如风向、风力)，这些数据可以经过中央主控系统再次传入给六自由度转台，六自由度转台的震动输出姿态通过震动发生架实现，震动发生架的震动参数来源于中央主控系统接收得飞行模拟软件的飞机姿态输出数据。如图1-6所示，安装底座上安装固定测试系统中的各个设备模块，放置在平面坐标中心的为自动驾驶仪，自动驾驶仪周围安放着为其提供姿态数据的三个陀螺仪，三个陀螺仪呈x\Y\z三个不同方向安装；整个系统的四个边角处安装四个震动发生架，用于产生震动；因为飞机飞行中，震动会对自动驾驶仪性能产生严重影响，四个震动发生系统用于模拟真实飞行情况。三相异步电机安装在电机支架上，同时三相异步电机转轴处安装偏心轮。 电机支架用于连接震动发生装置与整个系统安装底座。采用旋转偏心轮的方式产生振动。 三相异步电机的转速采用闭环控制方式，这样可以实现对转速的实时反馈控制，进而间接实现对震动频率的控制，实现了对飞机飞行情况的实时模拟。所述自动驾驶仪的测试方案有三种1、自动驾驶仪导航飞控算法模拟测试方案；在获得飞行姿态数据后使用纯软件算法计算出控制指令，然后传回飞行模拟软件中对飞行进行控制。此方案适用于自动驾驶仪研发过程中，便于算法的验证和比较，大大降低了研发的风险，而且可以对数据进行预处理，如对飞行姿态数据添加噪声，然后验证滤波算法的使用效果，可以大大提高研发的效率。2、自动驾驶仪脱机全系统模拟测试方案；在获得飞行姿态数据后将其发送到六自由度转台控制程序，六自由度转台运行完成指定姿态，这时其上的自动驾驶仪可以通过自身的传感器获得姿态数据，进行计算输出控制指令。而由于自动驾驶仪是安装在六自由度转台的震动发生架上，所以这时可以选择是否启动震动发生架来模拟直升机的强震动情况。因此此模式下获得的控制数据是最具有真实性的，其包含了传感器、震动、姿态解算等所有实际情况。再将获得的数据经PWM波采集模块或iFly40协议解析模块传回飞行模拟软件中进行飞行控制，检验其控制情况。此模式不仅适用于研发过程，而其还可以用于产品的检验过程中，通过历史数据与当前数据的对比完全可以检验产品的运行状况。3、自动驾驶仪控制行为软件再现模拟测试方案；此方案创新性的通过记录下自动驾驶仪在自动实况模拟情况下发出的控制指令，并对其进行遗传算法拟合，然后使用生产的传递矩阵完成对目标飞机的控制。此时产生的控制指令包括震动、传感器漂移等因素对自动驾驶仪的影响，而又剔除了转台运动反应时间等外在因素对测试的影响，因此次方案可以最大程度的减小外在因素对测试的影响并提高测试的精度与准度。通过这三种方式达到在研发与使用过程中不适用真实飞机的情况下完成对自动驾驶仪在各种机型和条件下的快速、有效、高仿真测试。本发明实施例所述的无人驾驶飞机自动驾驶仪性能测试系统，其测试方式为—、各模块分别运行测试测试验证各模块的性能与质量，校验其是否满足整体系统对各个部分的要求。二、全系统模拟反向测试测试使用已经成功实现对飞机进行飞行控制的iFly40 作为待测目标。使用“自动驾驶仪脱机全系统模拟测试方案”进行模拟实际使用情况的测试；标准测试环境测试机型Cessna172SP
实验风速15km/h初始姿态平飞目标姿态平飞测试结果iFly40对本模拟测试系统可以达到良好的控制效果，存在轻微摇摆。 具体测试效能见飞行姿态与控制数据如图7、8所示，在控制过程中姿态只发生轻微摇摆，自动驾驶仪很好的完成了控制过程，整体测试平台达到了预期设计效果。测试数据如图9、10所示，是在一次手动控制中软件PD算法和iFly40分别产生的控制数据图，通过这种方法我们可以方便的比较各种算法与设备的控制数据，并进行分析。如图11所示，为遗传算法运行数据图，从图中可以看出遗传算法很好的推算出 PID的算法的系数值(单次控制量误差不超过)。如图12所示，为遗传算法与iFly40控制数据记录的拟合对比图。如图13、14所示，为转台运行控制曲线，可以看出转台的运行响应基本与目标吻
I=I O本具体实施方式
只是本发明的优选实施例，并不能对本发明进行限定，具体各项权利由权利要求书限定。
权利要求
1.一种无人驾驶飞机自动驾驶仪性能测试系统，采用飞行模拟软件、六自由度转台、自动驾驶仪三个模块的数据循环通讯；其特征在于通过中央主控系统实现自动驾驶仪采集六自由度转台的输出姿态数据，并经待测自动驾驶仪分析计算得到对此时飞行状态的矫正控制指令，控制指令通过中央主控系统传递给飞行模拟软件，对飞行姿态进行修正，飞行模拟软件通过中央主控系统再次将经过自动驾驶仪修正后的位置姿态数据经主控程序传递给六自由度转台，六自由度转台产生修正后的飞行姿态，通过中央主控系统计算飞行模拟软件的姿态数据与六自由度转台的姿态输出数据，得到自动驾驶仪性能评价的响应时间、 控制准确性等技术参数，进而对自动驾驶仪性能做出检测。
2.根据权利要求1所述的无人驾驶飞机自动驾驶仪性能测试系统，其特征在于飞行模拟软件中的飞机运行姿态与六自由度转台的输出姿态保持时间上的一致。
3.根据权利要求1所述的无人驾驶飞机自动驾驶仪性能测试系统，其特征在于所述中央主控系统通过数据接口分别连接六自由度转台、飞行模拟软件和自动驾驶仪，通过中央主控系统实现了六自由度转台、飞行模拟软件和自动驾驶仪之间数据的闭环循环传递; 所述中央主控系统通过数据接口还连接震动发生架。
4.根据权利要求3所述的无人驾驶飞机自动驾驶仪性能测试系统，其特征在于安装底座上安装固定测试系统中的各个设备模块，放置在平面坐标中心的为自动驾驶仪，自动驾驶仪周围安放着为其提供姿态数据的三个陀螺仪，三个陀螺仪呈X\Y\Z三个不同方向安装；整个系统的四个边角处安装四个震动发生架，用于产生震动；因为飞机飞行中，震动会对自动驾驶仪性能产生严重影响，四个震动发生系统用于模拟真实飞行情况；三相异步电机安装在电机支架上，同时三相异步电机转轴处安装偏心轮；电机支架用于连接震动发生装置与整个系统安装底座；采用旋转偏心轮的方式产生振动；三相异步电机的转速采用闭环控制方式，实现对转速的实时反馈控制，进而间接实现对震动频率的控制，完成对飞机飞行情况的实时模拟。
全文摘要
本发明公开了一种无人驾驶飞机自动驾驶仪性能测试系统，采用飞行模拟软件、六自由度转台、自动驾驶仪三个模块的数据循环通讯；通过中央主控系统实现自动驾驶仪采集六自由度转台的输出姿态数据，并经分析计算得到对此时飞行的矫正控制指令，控制指令通过中央主控系统传递给飞行模拟软件，对飞行姿态进行修正，飞行模拟软件通过中央主控系统再次将经过自动驾驶仪修正后的位置姿态数据经主控程序传递给六自由度转台，六自由度转台产生修正后的飞行姿态，通过中央主控系统计算飞行模拟软件的姿态数据与六自由度转台的姿态输出数据，得到对自动驾驶仪性能评价的响应时间、控制准确性的技术参数。
文档编号G05D1/00GK102205877SQ20101013424
公开日2011年10月5日 申请日期2010年3月29日 优先权日2010年3月29日
发明者张以成, 金安迪 申请人:金安迪