一种无人机综合仿真系统及方法与流程

本发明属于无人机半物理仿真技术领域，，涉及一种无人机综合仿真系统及方法，一种基于labviewrt的综合仿真装置与方法。

背景技术：

无人机综合仿真能够有效验证飞控导航算法与航空电子等系统的正确性和可靠性，已成为无人机飞行试验前的重要环节。高置信度的实时综合系统是综合仿真试验的基础，也是有效降低飞行试验风险、缩短研制周期的重要手段。

目前，公知的无人机综合仿真装置是通过matlab/rtw或matlab/vxworks构建实时仿真系统，仿真方法也主要以实验室飞控系统半物理仿真为主。已公知的专利(专利号zl200910121123.x)以matlab/vxworks为架构开发实时仿真计算机，不支持应用板卡的通用驱动程序，监控界面也需要用第三方软件另行开发，其实时性无法精确到毫秒级，无法满足现代高性能无人机系统多任务、高实时性的仿真要求。

技术实现要素：

要解决的技术问题

为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种无人机综合仿真系统及方法。

技术方案

一种无人机综合仿真系统，其特征在于包括实时仿真目标机与主控计算机；所述主控计算机为通用计算机，运行windows操作系统，将开发飞机模型通过以太网下载到实时仿真目标机中；所述实时仿真目标机为compactpci架构的加固计算机，运行labviewrt实时系统；舵机产生的d/a信号经过a/d采集卡与实时仿真目标机连接；实时仿真目标机串行口：rs422与惯导模拟模块连接，惯导模拟模块的输出连接飞控计算机的串行口rs232；串行口rs232与航向传感器模块连接，航向传感器模块的输出连接飞控计算机的串行口rs232；串行口rs232与gps信号模拟模块连接，gps信号模拟模块的输出连接飞控计算机的a/d端口；实时仿真目标机的da输出卡：d/a与高度信号模拟模块连接，高度信号模拟模块输出连接飞控计算机的a/d端口，d/a与空速信号模拟模块连接，空速信号模拟模块输出连接飞控计算机的a/d端口；仿真时，舵机信号由仿真目标机采集后进行飞机模型的解算，解算的飞行参数通过模拟量和串口等形式发送给飞控计算机，后者根据这些信号和地面站的控制指令进行控制与导航算法的解算，并把控制量输出控制舵机偏转，从而形成闭环综合仿真。

一种利用权利要求1所述无人机综合仿真系统进行仿真的方法，其特征在于步骤如下：

步骤1、配置labviewrt实时系统：在主控计算机中对将要在实时仿真目标机中运行的实时引擎进行配置，包括设置ip地址、端口号等，配置完成后通过网络下载到实时仿真目标机中固化；在使用时把程序和模型部署下载到实时仿真目标机的rt引擎内运行，目标机中的程序调试和数据监控完全通过主控计算机进行，其通讯过程由rt开发系统和rt引擎自动完成；

步骤2：实时仿真目标机运行labviewrt实时系统，对主控计算机传送的无人机模型进行实时解算；

步骤3：以舵机和飞控计算机为仿真对象，根据ad采集模块采集舵机输出的反馈信号，实时仿真目标机通过串口输出模块向飞控计算机输出惯导模拟信号、航向传感器模拟信号与gps模拟信号，通过da输出模块输出高度和空速模拟信号。

在选好仿真目标机和主控计算机后，需要配置labviewrt实时系统，即在主控计算机中对将要在实时仿真目标机中运行的实时引擎进行配置，包括设置ip地址、端口号等，配置完成后通过网络下载到目标机中固化。在使用时把程序和模型部署下载到实时仿真目标机的rt引擎内运行，目标机中的程序调试和数据监控完全通过主控计算机进行，其通讯过程由rt开发系统和rt引擎自动完成。

实时系统配置完成后即可进行仿真模型的开发，无人机六自由度模型用matlab的simulink开发，主要包括无人机方程、气动数据模块、环境模型、发动机模块、da和串口输出模块、ad采集模块等。其中无人机方程直接调用matlab的simulink中的“6dof(eulerangles)”模块。环境模型主要指风场影响模块，一般方波信号来模拟风干扰，发动机模块根据发动机试验数据建立插值表，ad采集模块、da输出模块和串口通讯模块需要根据各个板卡的基地址和寄存器开发相应的驱动程序，驱动程序使用matlab的c语言格式的s函数开发。

硬件、软件全部开发完成后即可进行综合仿真试验，无人机综合仿真的原理为：舵机、飞控计算机、机载电源等为仿真对象，仿真电缆把仿真对象和实时仿真目标机连接起来以完成设备间的通讯。舵机信号由仿真目标机采集后进行飞机模型的解算，解算的飞行参数通过模拟量和串口等形式发送给飞控计算机，后者根据这些信号和地面站的控制指令进行控制与导航算法的解算，并把控制量输出控制舵机偏转，从而形成闭环综合仿真。

有益效果

本发明提出的一种无人机综合仿真系统及方法，包括两部分：实时仿真目标机与主控计算机。实时仿真目标机为compactpci架构的加固计算机，运行labviewrt实时系统，用于对无人机模型进行实时解算，并通过各板卡的不同端口与飞控计算机连接，主要由主板(集成显卡、网卡及usb接口等)、串口扩展卡(集成8路串行接口)、模拟量输入卡(集成16路电压信号输入接口)、模拟量输出卡(集成8路电压信号输出接口)以及键盘、鼠标等组成。主控计算机为通用计算机，运行windows操作系统，主要用于飞机模型的开发，并把模型通过以太网下载到实时仿真目标机中。

有益效果是：

1、能够作为测试与仿真平台直接应用于无人机的半物理仿真和综合仿真，从而通过闭环测试方法快速定位无人机系统的软、硬件问题，有效降低飞行风险、缩短研制周期。

2、设计流程简化，底层程序具有通用性，所需人工开发的代码量极小，上层程序开发简便，驱动程序实现了与硬件的完全兼容。

3、高实时性，能够实现低于毫秒级的运行步长，从而满足越来越复杂的无人机系统的多功能实时仿真。

4、成本低，扩展性强，系统一旦配置完成便可作为通用平台应用于不同型号的无人机系统。

5、开发周期短，操作简单，可作为黑盒子面向用户推广，使得用户无需过多关注仿真系统的开发和置信度，把更多精力集中于无人机系统的研制本身。

附图说明

图1是本发明装置的组成示意图；

图2是综合仿真模型组成示意图；

图3是本发明装置使用过程的信号流向图。

具体实施方式

现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：

如图1所示，综合仿真装置包括两部分：主控计算机和实时仿真目标机，其中，主控计算机为高性能工控机，主要用于进行实时系统的配置、仿真模型的开发、数据的回传与显示等。主控计算机和实时仿真目标机之间通过以太网络进行数据通讯，实时仿真目标机运行labviewrt实时系统，用于对无人机模型进行实时解算。无人机模型的组成示意见图2所示，主要包括无人机六自由度方程模块、气动数据模块、环境数据模块、发动机模块、da和串口输出模块、ad采集模块等。这些模块可以直接调用matlab所提供的封装模块，并加载相应无人机的数据即可。

舵机和飞控计算机为仿真对象，综合仿真装置通过ad采集模块采集舵机输出的反馈信号，通过串口输出模块输出惯导模拟信号、航向传感器模拟信号与gps模拟信号。通过da输出模块输出高度和空速模拟信号。

图3表示了综合仿真过程的信号流向，地面控制站把控制指令通过地面和机载数据终端传送给飞控计算机，嵌入其中的控制与导航算法根据得到的控制指令和从实时仿真目标机采集到的飞行参数的差值进行控制与导航律解算，解算结果输出控制伺服舵机，进而驱动无人机舵面偏转以改变无人机的姿态、高度等参数。舵机反馈信号同时被实时仿真目标机采集，后者根据舵机反馈信号以及嵌入其中的风洞实验数据进行飞机六自由度模型的实时解算，并把解算得到的飞行参数输出给飞控计算机，从而形成仿真闭环，完成对飞控计算机和舵机等对象的闭环验证。

基于综合仿真装置进行无人机闭环仿真的方法和步骤可概括为：

1、完成主控计算机和实时仿真目标机的配置，载入labviewrt实时系统；

2、在主控计算机上开发完成无人机六自由度模型，并将风洞试验数据和发动机试验数据等加载至状态空间。

3、把实时仿真目标机通过仿真电缆和无人机系统相连接，分别连接到飞控计算机、舵机和机载电缆上。

4、通过以太网把主控计算机和实时仿真目标机连接好，实时仿真目标机加电启动，把开发完成的无人机模型通过以太网下载到实时仿真目标机中。

5、全系统加电，启动仿真，综合仿真装置与仿真对象按照设定的仿真步长完成所有信号的闭环流转，通过地面站和主控计算机对仿真结果进行监控和存储，按照仿真大纲对仿真对象的各项功能逐一进行仿真测试。