专利名称：飞行机器人控制系统半物理仿真平台的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种飞行机器人控制系统的半物理仿真平台，具体地说是一种基于软件、硬件结构相结合的飞行机器人仿真系统及其控制方法。
背景技术：
为了满足飞行机器人在控制系统软件设计和关键技术前期验证的需求，国内外学者构建了各种针对不同应用的飞行机器人的软件仿真(Software in the loopsimulation, SILS)平台。而单一的软件仿真平台并不能够满足飞行机器人控制系统对控制算法、系统功能以及结合系统硬件调试和研究的需求。半物理仿真,也称半实物、硬件在回路仿真(Hardware in the loop simulation,HILS)，在飞行机器人系统的设计与研发过程中有着极其重要的意义。尤其对于飞行机器人控制系统而言，具有高系统复杂性、多控制变量性以及由环境、天气等因素带来的不可预见性等特点。因此，针对飞行机器人控制系统建立的仿真环境是设计复杂控制系统、研究其关键技术、实现稳定控制策略以及系统各功能不可或缺的重要手段。飞行机器人控制半物理仿真系统是研究和开发飞行机器人控制系统过程中特有的一种仿真方法，它利用飞行机器人动力学模型仿真计算机结合飞行机器人机载控制器实物系统建立半物理仿真平台。与软件仿真系统不同的是，半物理仿真系统将真实的飞行机器人机载控制器的软、硬件系统置于仿真闭环中，对飞行机器人的全飞行过程、全飞行状态进行仿真，从而及时地发现并修改飞行机器人控制系统软、硬件在真实工作环境中存在的漏洞，有效地提高控制系统的可靠性。目前，在相关专利收索中尚未发现有关飞行机器人的半物理仿真系统。
发明内容
针对现有的软件仿真平台存在无法实现对于飞行机器人的控制算法、系统功能以及结合系统硬件调试的这一技术空白，提出了飞行机器人控制系统的半物理仿真系统。本发明采用的技术方案是:一种飞行机器人控制系统半物理仿真平台，包括飞行机器人飞行姿态显示/视景显示计算机，与飞行机器人动力学模型仿真计算机通信连接，用于实现飞行机器人飞行空域、地理地形人文建筑物、障碍物和实时/虚拟天气条件的三维模拟显示，以及各飞行机器人的飞行姿态的三维立体显示；飞行机器人动力学模型仿真计算机，存有飞行机器人动力学模型，与飞行机器人机载控制系统通信连接，用于根据各飞行机器人的动力学模型实时解算并生成一系列虚拟的传感器设备信号，实现飞行机器人的自主闭环控制，并完成与飞行机器人飞行姿态显示/视景显示计算机的通讯任务；飞行机器人机载控制系统，与飞行机器人动力学模型仿真计算机，无线电遥控器和飞行机器人地面监控计算机连接，用于完成对飞行机器人动力学模型仿真计算机发送的虚拟传感器设备信号的接收，将经过控制算法计算后获得的执行舵机控制信号发送到机器人动力学模型仿真计算机；无线电遥控器，与飞行机器人机载控制系统无线通信连接，实现飞行机器人飞行功能的切换，控制飞行机器人外带的负载设备，完成不同的飞行目的及各种飞行任务；飞行机器人地面监控计算机，与飞行机器人机载控制系统通讯连接；用于实现飞行机器人飞行状态以及飞行机器人健康状态的监控，对飞行机器人飞行任务的在线管理、飞行机器人飞行模式的切换，以及结合平面地图对飞行机器人的地理位置进行实时显示。所述飞行机器人机载控制系统包括:飞行机器人机载控制器，与飞行机器人地面监控计算机连接，根据获得的虚拟传感器设备信号，经由控制算法计算出完成控制目的所需要的飞行机器人执行舵机的控制信号；在仿真过程中，飞行机器人机载控制器可以连接执行舵机直接验证控制算法根据飞行状态自动产生的控制指令动作的正确性；飞行机器人工作状态指示模块，由三枚不同颜色的大功率高亮LED组成，根据飞行机器人所处的不同工作状态和飞行机器人本体的稳定程度，飞行机器人工作状态指示模块会点亮不同的LED组合以及闪烁方式，以此来指示和区分飞行机器人所处的不同的工作及飞行状态；执行舵机，接收来自飞行机器人机载控制器的控制信号，发送执行舵机控制信号到机器人动力学模型仿真计算机；无线接收模块，为无线接收模块，与无线遥控器进行通信，实现飞行机器人手动遥控飞行的模拟，完成手动遥控与飞行控制器自主飞行状态的切换。
所述飞行机器人机载控制器包括:导航传感器导航信息处理单元，控制算法处理单元，飞行数据存储单元，串口扩展单元，和系统供电及开关单元；导航传感器导航信息处理单元，将虚拟的传感器输出的原始数据信息，对其进行滤波计算后将处理后的导航信息发送给控制算法处理单元和飞行数据存储单元；控制算法处理单元，接收经导航传感器导航信息处理单元处理后的导航信息，经过控制算法计算后，控制算法处理单元得出达到控制目的的控制信号，并将其通过串口扩展单元发送到执行舵机； 飞行数据存储单元，接收来自导航传感器导航信息处理单元和控制算法处理单元的数据；用于存储原始导航数据、滤波处理后的导航数据、控制信号、飞行机器人工作状态以及后期分析所需的数据；串口扩展单元，通过RS-232串行通讯总线与飞行机器人地面监控计算机和飞行机器人动力学模型仿真计算机进行实时信息交换，并以ISP模式完成控制算法的写入功倉泛;系统供电及开关单元，给飞行机器人机载控制器供电；所述飞行机器人机载控制系统与飞行机器人动力学模型仿真计算机进行串行通 目;所述飞行机器人机载控制系统是通过飞行机器人机载控制器与飞行机器人地面监控计算机相连接并实现串口通信的。所述虚拟的传感器设备信号包括:飞行机器人的GPS坐标、飞行姿态角、三轴全局飞行加速度、三轴全局飞行速度、飞行姿态角变化率；
所述飞行机器人飞行功能为飞行机器人航迹点飞行、圆周飞行、蛇形飞行、悬停、返航功能；所述飞行机器人飞行状态为飞行机器人手动飞行、半自动飞行、自主飞行；所述飞行机器人飞行姿态显示/视景显示计算机与飞行机器人动力学模型仿真计算机以TCP/IP网络通讯协议进行网络通信；可以配置成多飞行机器人显示模式，完成多飞行机器人多飞行任务的显示；同时，可以根据不同任务及显示要求，自主定制显示视角，实现任务完成状况的跟踪监测。所述飞行机器人地面监控计算机与飞行机器人机载控制系统的通讯还可以采用无线方式。所述飞行机器人半物理仿真平台中，飞行机器人动力学模型仿真计算机和飞行机器人机载控制器系统可以同时使用多套，通过飞行机器人地面监控计算机，实现飞行航迹、飞行状态的交互，进而实现多飞行机器人的编队和多任务的执行。所述飞行机器人执行舵机可以为多个；一种飞行机器人控制系统半物理仿真方法，包括以下步骤:初始化飞行环境及显示视角；飞行机器人机载控制器控制算法加载；开始仿真；飞行机器人动力学模型仿真计算机解算传感器信息，形成报文，串口输出到飞行机器人机载控制系统；飞行机器人机载控制器计算执行舵机控制信号，形成报文，串口输出，发送给飞行机器人动力学模型仿真计算机，进行下一步迭代计算；并通过飞行机器人飞行姿态显示/视景显示计算机进行实时显示；同时，计算所得的执行舵机控制信号将以模拟量形式发送给执行舵机进行控制；飞行机器人动力学模型仿真计算机迭代计算后进行步骤4。本发明具有以下有益效果及优点:1.与单纯的飞行机器人软件仿真平台不同，飞行机器人控制系统半物理仿真平台可以同时对飞行机器人的软件、硬件系统和控制算法进行联机调试，最大程度的接近飞行机器人工作的实际工作状态；2.仿真实验可以通过飞行机器人机载控制系统中的执行舵机直接地验证控制信号的正确性；3.飞行机器人飞行姿态显示/视景显示计算机的三维显示也可以辅助地验证飞行机器人的工作状态及控制信号的正确性；4.具有较强的通用性和较强的系统性，并且本发明的可操作性、展示性均较强，简便地应用于各种飞行机器人的半物理仿真实验中，避免系统的重复设计，同时大大简化了系统新功能扩展的测试工作。
图1为本发明的结构框图；图2为本发明中飞行机器人机载控制系统结构框图；图3为本发明中飞行机器人机载控制器结构框图4为本发明中飞行机器人地面监控计算机与飞行机器人机载控制系统无线通讯框图；图5为本发明飞行机器人控制系统半物理仿真方法步骤示意图。
具体实施例方式下面结合附图对本发明的具体实施方式
加以说明。通过对加速度计、陀螺等传感器信息的模拟并形成数据包发送给飞行机器人机载控制器3-1，经控制算法后产生实现功能、完成飞行任务的控制量，形成数据包发送给飞行机器人动力学模型，产生相对应的控制效果，并使用飞行机器人飞行姿态显示/视景显示计算机I实现飞行机器人及其飞行环境的三维显示，进而完成飞行机器人飞行控制系统的控制算法设计和方针验证；同时可以将飞行机器人执行舵机3-3与飞行机器人机载控制器3-1相连，从而直观地验证控制算法所产生的控制信号以及执行舵机响应动作的正确性。如图1所示，本发明飞行机器人控制系统半物理仿真平台包括:飞行机器人飞行姿态显示/视景显示计算机1、飞行机器人动力学模型仿真计算机2、飞行机器人机载控制系统3、无线电遥控器4、和飞行机器人地面监控计算机5。飞行机器人动力学模型仿真计算机2通过网络适配器与飞行机器人飞行姿态显示/视景显示计算机相连；飞行机器人动力学模型仿真计算机2通过RS-232串口与飞行机器人机载控制系统3RS-232串口相连，发送通过飞行机器人动力学模型解算出的传感器信息；飞行机器人动力学模型仿真计算机2通过RS-232串口与飞行机器人机载控制系统3RS-232串口相连，接收由飞行机器人机载控制系统3发出的执行舵机3-3控制信号；飞行机器人机载控制系统3通过2.4GHz无线电信号与无线电遥控器4通信；飞行机器人机载控制系统3与飞行机器人地面监控计算机5通过RS-232串口相连。飞行机器人飞行姿态显示/视景显示计算机1，采用联想(Lenovo)启天M7150型计算机，进行三维实时显示。飞行机器人飞行姿态显示/视景显示计算通过TCP/IP网络通讯协议与飞行机器人动力学模型仿真计算机2进行网络通讯，获取计算得出的飞行机器人的GPS坐标和飞行姿态角(滚转角、俯仰角和偏航角)传送给Flightgear仿真软件,实现飞行机器人的飞行状态及飞行环境的三维显示。飞行机器人动力学模型仿真计算机2，采用联想(Lenovo)启天M7150型计算机，并附加安装一块帝特PCI高速串行通讯卡。在Matlab/Simulink环境中通过对飞行机器人动力学模型的迭代计算实现传感器信息(行机器人的GPS坐标、飞行姿态角、三轴全局飞行加速度、三轴全局飞行速度、飞行姿态角变化率)的模拟，并形成数据通信报文，通过串口将生成的传感器信息发送给飞行机器人机载控制器3-1 ;同时，飞行机器人动力学模型仿真计算机2通过串口接收飞行机器人机载控制器3-1发出的执行舵机3-3的控制信号报文，解析后进入飞行机器人动力学模型计算，完成对飞行机器人的闭环控制。如图2所示，飞行机器人机载控制系统3，还包括飞行机器人机载控制器3-1、飞行机器人工作状态指示模块3-2和执行舵机3-3。飞行机器人机载控制器3-1采用双ARM核心处理器，结合复杂可编程序逻辑处理器(CPLD)实现导航传感器信号、无线电遥控器4信号的A/D、D/A转换，采样。配合可扩展外部接口，如串行通讯口、SD卡读写口，完成原始导航数据的滤波、控制算法的执行、与飞行机器人动力学模型仿真计算机2的串口通讯以及关键飞行数据的存储。飞行机器人工作状态指示模块3-2由三枚不同颜色的大功率高亮LED组成，根据飞行机器人所处的不同工作状态和飞行机器人本体的稳定程度，飞行机器人工作状态指示模块3-2会点亮不同的LED组合以及闪烁方式，以此来指示和区分飞行机器人所处的不同的工作及飞行状态。执行舵机3-3接收飞行机器人机载控制器3-1的控制信号，驱动舵机实现飞行机器人的动作。无线电遥控器4，采用专业级航模无线电遥控器JR PROPO DSX12X，以2.4GHz信道通信，辅以12路控制通道及功能按钮，可以实现复杂飞行机器人外带负载设备的控制。同时可以存储50个遥控器配置模型，方便遥控器与接收机的对频。飞行机器人地面监控计算机5，采用研华ARK-3420工控机，装有上下两台显示器，配有左右两只工业级四轴三键遥控杆，内置电源UPS设计，有断电及过载保护在使用中断点，不影响用户操作。在使用中出现过载，重新启动电源后系统正常工作。通过串行通讯口与飞行机器人机载控制实现飞行机器人飞行姿态、飞行速度、飞行加速度以及飞行机器人健康状态的监控。同时通过飞行机器人地面监控计算机5实现对飞行机器人飞行任务的在线管理、飞行机器人飞行模式的切换，以及结合平面地图对飞行机器人的地理位置进行实时显示。飞行机器人地面监控计算机5与飞行机器人机载控制系统3的通讯还可以采用无线方式。如图4所示，采用Freewave出产的900MHz无线数据传输模块代替串行通信。这一方式提供了测试飞行机器人在超视距飞行任务中飞行机器人地面监控计算机5与飞行机器人机载控制系统3的通讯能力的方法，保障了飞行任务的完全完成。便于对飞行机器人在完成超视距任务时的前期测试和在线监测。如图5所示，本发明飞行机器人控制系统半物理仿真平台的仿真方法包括以下步骤:1.初始化飞行环境及显示视角；2.飞行机器人机载控制器控制算法加载；3.开始仿真；4.飞行机器人动力学模型仿真计算机解算传感器信息，形成报文，串口输出到飞行机器人机载控制系统；5.飞行机器人机载控制器计算执行舵机控制信号，形成报文，串口输出，发送给飞行机器人动力学模型仿真计算机，进行下一步迭代计算；并通过飞行机器人飞行姿态显示/视景显示计算机进行实时显示；同时，计算所得的执行舵机控制信号将以模拟量形式发送给执行舵机进行控制；6.飞行机器人动力学模型仿真计算机迭代计算后进行步骤4。
权利要求
1.一种飞行机器人控制系统半物理仿真平台，其特征在于:包括 飞行机器人飞行姿态显示/视景显示计算机(I)，与飞行机器人动力学模型仿真计算机(2)通信连接，用于实现飞行机器人飞行空域、地理地形人文建筑物、障碍物和实时/虚拟天气条件的三维模拟显示，以及各飞行机器人的飞行姿态的三维立体显示； 飞行机器人动力学模型仿真计算机(2)，存有飞行机器人动力学模型，与飞行机器人机载控制系统(3)通信连接，用于根据各飞行机器人的动力学模型实时解算并生成一系列虚拟的传感器设备信号，实现飞行机器人的自主闭环控制，并完成与飞行机器人飞行姿态显示/视景显示计算机(I)的通讯任务； 飞行机器人机载控制系统(3)，与飞行机器人动力学模型仿真计算机(2)，无线电遥控器(4)和飞行机器人地面监控计算机(5)连接，用于完成对飞行机器人动力学模型仿真计算机(2)发送的虚拟传感器设备信号的接收，将经过控制算法计算后获得的执行舵机控制信号发送到机器人动力学模型仿真计算机(2); 无线电遥控器(4)，通过无线接收模块(3-4)与飞行机器人机载控制系统(3)无线通信连接，实现飞行机器人飞行功能的切换，控制飞行机器人外带的负载设备，完成不同的飞行目的及各种飞行任务； 飞行机器人地面监控计算机(5)，与飞行机器人机载控制系统(3)通讯连接；用于实现飞行机器人飞行状态以及飞行机器人健康状态的监控，对飞行机器人飞行任务的在线管理、飞行机器人飞行模式的切换，以及结合平面地图对飞行机器人的地理位置进行实时显/Jn ο
2.根据权利要求1所述的飞行机器人控制系统半物理仿真平台，其特征在于:所述飞行机器人机载控制系统(3)包括: 飞行机器人机载控制器(3-1)，与飞行机器人地面监控计算机(5)连接，根据获得的虚拟传感器设备信号，经由控制算法计算出完成控制目的所需要的飞行机器人执行舵机(3-3)的控制信号；在仿真过程中，飞行机器人机载控制器(3-1)可以连接执行舵机(3-3)直接验证控制算法根据飞行状态自动产生的控制指令动作的正确性； 飞行机器人工作状态指示模块(3-2)，由三枚不同颜色的大功率高亮LED组成，根据飞行机器人所处的不同工作状态和飞行机器人本体的稳定程度，飞行机器人工作状态指示模块(3-2)会点亮不同的LED组合以及闪烁方式，以此来指示和区分飞行机器人所处的不同的工作及飞行状态； 执行舵机(3-3)，接收来自飞行机器人机载控制器(3-1)的控制信号，发送执行舵机控制信号到机器人动力学模型仿真计算机(2); 无线接收模块(3-4)，为无线接收模块，与无线电遥控器(4)进行通信，实现飞行机器人手动遥控飞行的模拟，完成手动遥控与飞行控制器自主飞行状态的切换。
3.根据权利要求2所述的飞行机器人控制系统半物理仿真平台，其特征在于:所述飞行机器人机载控制器(3-1)包括:导航传感器导航信息处理单元(3-1-1)，控制算法处理单元(3-1-2)，飞行数据存储单元(3-1-3)，串口扩展单元(3-1-4)，和系统供电及开关单元(3-1-5)； 导航传感器导航信息处理单元(3-1-1)，将虚拟的传感器输出的原始数据信息，对其进行滤波计算后将处理后的导航信息发送给控制算法处理单元(3-1-2)和飞行数据存储单元(3-1-3)； 控制算法处理单元(3-1-2)，接收经导航传感器导航信息处理单元(3-1-1)处理后的导航信息，经过控制算法计算后，控制算法处理单元(3-1-2)得出达到控制目的的控制信号，并将其通过串口扩展单元(3-1-4)发送到执行舵机(3-1-3)； 飞行数据存储单元(3-1-3)，接收来自导航传感器导航信息处理单元(3-1-1)和控制算法处理单元(3-1-2)的数据；用于存储原始导航数据、滤波处理后的导航数据、控制信号、飞行机器人工作状态以及后期分析所需的数据； 串口扩展单元(3-1-4)，通过RS-232串行通讯总线与飞行机器人地面监控计算机(5)和飞行机器人动力学模型仿真计算机(2)进行实时信息交换，并以ISP模式完成控制算法的与入功能； 系统供电及开关单元(3-1-5)，给飞行机器人机载控制器(3-1)供电。
4.根据权利要求1所述的飞行机器人控制系统半物理仿真平台，其特征在于:所述飞行机器人机载控制系统(3)与飞行机器人动力学模型仿真计算机(2)进行串行通信； 所述飞行机器人机载控制系统(3)是通过飞行机器人机载控制器(3-1)与飞行机器人地面监控计算机(5)相连接并实现串口通信的。
5.根据权利要求1所述的飞行机器人控制系统半物理仿真平台，其特征在于:所述虚拟的传感器设备信号包括:飞行机器人的GPS坐标、飞行姿态角、三轴全局飞行加速度、三轴全局飞行速度、飞行姿态角变化率； 所述飞行机器人飞行功能为飞行机器人航迹点飞行、圆周飞行、蛇形飞行、悬停、返航功能； 所述飞行机器人飞行状态为飞行机器人手动飞行、半自动飞行、自主飞行。
6.根据权利要求1所述的飞行机器人控制系统半物理仿真平台，其特征在于:所述飞行机器人飞行姿态显示/视景显示计算机(I)与飞行机器人动力学模型仿真计算机(2)以TCP/IP网络通讯协议进行网络通信；可以配置成多飞行机器人显示模式，完成多飞行机器人多飞行任务的显示；同时，可以根据不同任务及显示要求，自主定制显示视角，实现任务完成状况的跟踪监测。
7.根据权利要求1所述的飞行机器人控制系统半物理仿真平台，其特征在于:所述飞行机器人地面监控计算机(5)与飞行机器人机载控制系统(3)的通讯还可以采用无线方式。
8.根据权利要求1所述的飞行机器人控制系统半物理仿真平台，其特征在于:所述飞行机器人半物理仿真平台中，飞行机器人动力学模型仿真计算机(2)和飞行机器人机载控制器系统可以同时使用多套，通过飞行机器人地面监控计算机(5)，实现飞行航迹、飞行状态的交互，进而实现多飞行机器人的编队和多任务的执行。
9.根据权利要求1所述的飞行机器人控制系统半物理仿真平台，其特征在于:所述飞行机器人执行舵机(3-3)可以为多个。
10.一种飞行机器人控制系统半物理仿真方法，其特征在于，包括以下步骤: 初始化飞行环境及显示视角； 飞行机器人机载控制器(3-1)控制算法加载； 开始仿真；飞行机器人动力学模型仿真计算机(2)解算传感器信息，形成报文，串口输出到飞行机器人机载控制系统(3)； 飞行机器人机载控制器(3-1)计算执行舵机控制信号，形成报文，串口输出，发送给飞行机器人动力学模型仿真计算机(2)，进行下一步迭代计算；并通过飞行机器人飞行姿态显示/视景显示计算机(I)进行实时显示；同时，计算所得的执行舵机控制信号将以模拟量形式发送给执行舵机(3-3)进行控制； 飞行机器人动力 学模型仿真计算机(2)迭代计算后进行步骤4。
全文摘要
本发明涉及一种飞行机器人控制系统半物理仿真平台，包括飞行机器人飞行姿态显示/视景显示计算机，飞行机器人动力学模型仿真计算机，飞行机器人机载控制系统，无线电遥控器和飞行机器人地面监控计算机。飞行机器人控制系统半物理仿真平台可以同时对飞行机器人的软件、硬件系统和控制算法进行联机调试，最大程度的接近飞行机器人工作的实际工作状态；并且仿真实验可以通过飞行机器人机载控制系统中的执行舵机直接地验证控制信号的正确性；飞行机器人飞行姿态显示/视景显示计算机的三维显示也可以辅助地验证飞行机器人的工作状态及控制信号的正确性；本发明具有较强的通用性和较强的系统性，并且本发明的可操作性、展示性均较强，简便地应用于各种飞行机器人的半物理仿真实验中，避免系统的重复设计，同时大大简化了系统新功能扩展的测试工作。
文档编号G05B17/02GK103149846SQ20111040186
公开日2013年6月12日 申请日期2011年12月6日 优先权日2011年12月6日
发明者韩建达, 齐俊桐, 吴镇炜, 宋大雷, 王子铭 申请人:中国科学院沈阳自动化研究所