三轴飞行仿真系统和信息展示方法、设备及介质与流程

1.本发明涉及仿真技术领域，特别涉及一种三轴飞行仿真系统和信息展示方法、设备及介质。


背景技术：

2.在制导控制系统理论设计完成之后，须通过一些仿真方法来验证控制系统性能，主要有纯数学仿真、半实物仿真和飞行试验三种方法。半实物仿真是介于纯数学仿真和飞行试验之间的方法，相较于纯数学仿真，选择性地将部分硬件实物加入到仿真回路中以替换数学模型，能够有效减少数学模型建模误差和模型不确定性等因素带来的影响，使仿真更加贴近真实情况；相较于飞行试验，半实物仿真可以在低危险、低耗费的情况下，用真实或近乎真实的环境来评估控制系统的性能，具有提高系统研制质量、缩短研制周期和节省研制费用的优点。根据相关规定，各型号飞行器的制导控制系统在飞行试验之前必须要先通过半实物仿真系统的检验。半实物仿真系统包含快速控制原型与硬件在环(hard in loop，hil)两种功能。在快速控制原型仿真中，在计算机中用simulink或其他搭建算法模块，通过驱动设备及程序控制转台的运动，再通过位置传感器或其他传感器获取转台姿态信息，并返送至计算机中作为姿态反馈信号，形成闭环。在硬件在环仿真中，通过接收遥控指令，真实的控制器(如飞控板)向伺服电机发送pwm(即脉冲调宽)信号控制转台的运动，再通过位置传感器或其他传感器获取转台姿态信息，并返送至飞控板中作为姿态反馈信号，形成控制系统的闭环结构。
3.在飞行仿真系统中，飞行仿真转台是进行飞行器飞行姿态地面半实物仿真实验的重要设备之一。在采集转台的姿态信息时，主要是通过在转台的三轴上安装位置传感器，其检测原理是监测是否有金属件通过以输出高低电平，安装位置传感器的数量、位置与最终得到的姿态信息采集的精确度有直接关系，而位置传感器是易损件，存在转台运动过程中撞歪撞坏的问题，并且当位置传感器被撞歪时很难检测出来，因此最终采集到的姿态信息可靠性难以保证。此外，通过转台模拟并呈现的飞行状态信息不够完整，可视化程度较弱，对飞控系统的展示效果欠佳。
4.综上，如何可靠地获取转台的姿态信息并增强转台的可视化程度是目前有待解决的问题。


技术实现要素：

5.有鉴于此，本发明的目的在于提供一种三轴飞行仿真系统，能够可靠地获取转台的姿态信息并增强转台的可视化程度。其具体方案如下：
6.第一方面，本技术公开了一种三轴飞行仿真系统，包括：
7.三轴飞行仿真转台，以及用于感知所述三轴飞行仿真转台的转轴转动的飞控板，所述飞控板与所述三轴飞行仿真转台的最小转轴连接，并且所述飞控板放置于飞控盒中；
8.与所述飞控盒连接的垂直固定的中空碳管，所述中空碳管的朝上管口与塑料托架
的下方连接；
9.与所述塑料托架连接的铁棍以及与所述铁棍连接的无人机模型，其中，所述铁棍横向贯穿所述无人机模型的腹部。
10.可选的，所述三轴飞行仿真转台具有三个转轴和三个自由度。
11.可选的，所述飞控板包括陀螺仪、加速度计与磁力计。
12.可选的，所述飞控板采用pixhawk飞控板。
13.可选的，所述无人机模型采用泡沫无人机模型，所述泡沫无人机模型包括一对副翼、v型尾翼和一个螺旋桨。
14.可选的，所述飞控盒包括所述飞控板、接收器、rs232板卡、gps以及圆口dc转type-b电源模块。
15.第二方面，本技术公开了一种信息展示方法，应用于如前述公开的三轴飞行仿真系统，包括：
16.当所述飞控板下达舵偏指令和推力大小信息，则利用所述推力大小信息控制所述无人机模型的螺旋桨旋转以及利用所述舵偏指令控制所述无人机模型的舵面偏转。
17.可选的，所述信息展示方法，还包括：
18.当所述飞控板下达舵偏指令和推力大小信息，通过实时仿真计算机计算所述三轴飞行仿真转台的姿态角度信息；
19.基于所述姿态角度信息控制所述三轴飞行仿真转台的转轴转动，并利用所述转轴控制飞控盒转动；
20.利用所述飞控板获取并输出所述飞控盒的姿态信息。
21.第三方面，本技术公开了一种电子设备，包括：
22.存储器，用于保存计算机程序；
23.处理器，用于执行所述计算机程序，以实现前述公开的信息展示方法的步骤。
24.第四方面，本技术公开了一种计算机可读存储介质，用于存储计算机程序；其中，所述计算机程序被处理器执行时实现前述公开的信息展示方法的步骤。
25.可见，本技术公开了一种三轴飞行仿真系统，包括：三轴飞行仿真转台，以及用于感知所述三轴飞行仿真转台的转轴转动的飞控板，所述飞控板与所述三轴飞行仿真转台的最小转轴连接，并且所述飞控板放置于飞控盒中；与所述飞控盒连接的垂直固定的中空碳管，所述中空碳管的朝上管口与塑料托架的下方连接；与所述塑料托架连接的铁棍以及与所述铁棍连接的无人机模型，其中，所述铁棍横向贯穿所述无人机模型的腹部。由此可见，一方面，本技术将飞控板放置于飞控盒中，并将飞控板与三轴飞行转台的最小转轴连接，当转轴转动时飞控盒和飞控板也随之转动，提高了姿态信息采集的可靠性；其次，飞控板本身不易损坏，在转台系统中置于最小转轴之上也很难有其他部件会撞击到它；避免了飞控板在使用过程中被撞击导致的姿态信息采集不精确的情况；另一方面，本技术将无人机模型与飞控盒相连，以便无人机模型获取到飞控盒中飞控板下达的指令信息时，基于指令信息进行可视化展示，相对于利用转台模拟飞行器的姿态信息的方式而言，能够更加直观并增强转台的可视化程度。综上，本技术能够可靠地获取转台的姿态信息并增强转台的可视化程度。
附图说明
26.为了更清楚地说明本技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
27.图1为本技术公开的一种三轴飞行仿真系统结构示意图；
28.图2为本技术公开的一种信息展示方法流程图；
29.图3为本技术公开的一种具体的信息展示方法流程图；
30.图4为本技术公开的一种各个设备之间的通信示意图；
31.图5为本技术公开的各个设备的示意图；
32.图6为本技术公开的一种电子设备结构图。
具体实施方式
33.下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
34.在飞行仿真系统中，飞行仿真转台是进行飞行器飞行姿态地面半实物仿真实验的重要设备之一。在采集转台的姿态信息时，主要是通过在转台的三轴上安装位置传感器，其检测原理是监测是否有金属件通过以输出高低电平，安装位置传感器的数量、位置与最终得到的姿态信息采集的精确度有直接关系，而位置传感器是易损件，存在转台运动过程中撞歪撞坏的问题，并且当位置传感器被撞歪时很难检测出来，因此最终采集到的姿态信息可靠性难以保证。此外，通过转台模拟并呈现的飞行状态信息不够完整，可视化程度较弱，对飞控系统的展示效果欠佳。为此，本技术实施例公开了一种三轴飞行仿真系统，能够可靠地获取转台的姿态信息并增强转台的可视化程度。
35.参见图1所示，本技术实施例公开了一种三轴飞行仿真系统，该系统包括：
36.三轴飞行仿真转台1，以及用于感知所述三轴飞行仿真转台1的转轴转动的飞控板2，所述飞控板与所述三轴飞行仿真转台的最小转轴11连接，并且所述飞控板放置于飞控盒3中；
37.与所述飞控盒3连接的垂直固定的中空碳管4，所述中空碳管4的朝上管口与塑料托架的下方连接；
38.与所述塑料托架连接的铁棍以及与所述铁棍连接的无人机模型5，其中，所述铁棍横向贯穿所述无人机模型的腹部。
39.本技术实施例中，三轴飞行仿真转台1的最小转轴11与飞控板固连，飞控板用于感知三个转轴的转动，即三个转轴姿态角度的变化情况，并且将飞控板放置于飞控盒中；其中，飞控盒是一个通过3d打印技术制作的略大于飞控板的可安装固定的塑料盒子。进一步的，飞控盒的顶部与垂直固定的中空碳管连接，并用铆钉固定，中空碳管的朝上管口与一个塑料托架的下方连接，其中，具体可以为通过3d打印技术制作与无人机模型腹部贴合完好的塑料托架，且塑料托架与铁棍进行连接，而铁棍与无人机模型进行连接，具体为将一个无
人机模型腹部横向打孔，并利用铁棍横向贯穿无人机模型的腹部，实现无人机模型与塑料托架之间的稳固连接。至此，实现了无人机模型与飞控盒的固定。
40.需要指出的是，本实施例中的三轴飞行仿真转台具有三个转轴和三个自由度，用于模拟飞行器在空间姿态角度和角速度变化。也即具有内、中、外三个转轴，并且具备三个自由度的旋转功能，能够模拟飞行器姿态控制中的仰俯角、偏航角以及滚转角。主要功能为模拟飞行器三个自由度的角运动，复现飞行器的姿态角；在仿真回路中，接收并跟踪主仿真机发送的三轴位置指令信号，将其转换为可被传感器监测的物理运动，为被试件提供实验条件。并且，本技术的三轴飞行仿真转台其三个转轴中心处于同一个同心圆位置。
41.需要指出的是，本实施例中的飞控板采用pixhawk飞控板，且该飞控板包括陀螺仪、加速度计与磁力计等传感器。通过传感器数据融合的方式计算获取姿态信息，能够使得获取的姿态信息更加精确可靠，并且，本发明采用的传感器设备具有更高的拟真度，真实无人机可以使用pixhawk飞控板，即在部分场景下可以认为是实物试验。此外，本技术实施例中的无人机模型采用泡沫无人机模型，所述泡沫无人机模型包括一对副翼、v型尾翼和一个螺旋桨；飞控盒还包括飞控板、接收器、rs232板卡、gps以及圆口dc转type-b电源模块等，接收器用于在仿真过程中获取遥控器发送的信号，rs232板卡与pixhawk飞控板telem1口直连，gpa具有安全锁功能。由于采用飞控盒装飞控板，在替换飞控板时更为方便，且飞控板的传感器可以有成熟便捷的校准方法。
42.可见，本技术公开了一种三轴飞行仿真系统，包括：三轴飞行仿真转台，以及用于感知所述三轴飞行仿真转台的转轴转动的飞控板，所述飞控板与所述三轴飞行仿真转台的最小转轴连接，并且所述飞控板放置于飞控盒中；与所述飞控盒连接的垂直固定的中空碳管，所述中空碳管的朝上管口与塑料托架的下方连接；与所述塑料托架连接的铁棍以及与所述铁棍连接的无人机模型，其中，所述铁棍横向贯穿所述无人机模型的腹部。由此可见，一方面，本技术将飞控板放置于飞控盒中，并将飞控板与三轴飞行转台的最小转轴连接，当转轴转动时飞控盒和飞控板也随之转动，提高了姿态信息采集的可靠性；其次，飞控板本身不易损坏，在转台系统中置于最小转轴之上也很难有其他部件会撞击到它；避免了飞控板在使用过程中被撞击导致的姿态信息采集不精确的情况；另一方面，本技术将无人机模型与飞控盒相连，以便无人机模型获取到飞控盒中飞控板下达的指令信息时，基于指令信息进行可视化展示，相对于利用转台模拟飞行器的姿态信息的方式而言，能够更加直观并增强转台的可视化程度。综上，本技术能够可靠地获取转台的姿态信息并增强转台的可视化程度。
43.参见图2和图3所示，本技术实施例公开了一种信息展示方法，应用于如前述公开的三轴飞行仿真系统，具体包括：
44.步骤s11：当所述飞控板下达舵偏指令和推力大小信息。
45.步骤s12：利用所述推力大小信息控制所述无人机模型的螺旋桨旋转以及利用所述舵偏指令控制所述无人机模型的舵面偏转。
46.步骤s13：通过实时仿真计算机计算所述三轴飞行仿真转台的姿态角度信息。
47.步骤s14：基于所述姿态角度信息控制所述三轴飞行仿真转台的转轴转动，并利用所述转轴控制飞控盒转动。
48.步骤s15：利用所述飞控板获取并输出所述飞控盒的姿态信息。
49.本实施例中，需要注意的是，从飞控板的i/o接口处引出1、2、3、4号信号线，并从飞控盒顶部引出，穿过中空塑料管从无人机模型腹部进入无人机模型，1、2、4号信号线分别连接无人机的副翼舵机、升降舵机与方向舵机，3号信号线连接无人机的螺旋桨对应的电机的电调信号接口。由此便可通过飞控板输出的信号展示舵面偏转与螺旋桨推力。
50.那么本实施例中，当飞控板下达舵偏指令和推力大小信息时，一方面，无人机模型的舵面以及螺旋桨则做出相应反应，具体则为利用推力大小信息控制无人机模型的螺旋桨旋转以及利用舵偏指令控制无人机模型的舵面偏转，如此一来，通过增加真实的无人机模型，能够通过螺旋桨旋转速度间接展示出推力大小、舵面偏转展示出舵面偏转指令大小与方向。
51.另一方面，通过实时仿真计算机计算三轴飞行仿真转台的姿态信息，姿态信息包括了角速度和姿态角度，以基于该姿态信息控制三轴飞行仿真转台的转轴转动，以带动飞控盒转动，然后通过飞控盒里的飞控板输出飞控盒的姿态信息。如此一来，通过将pixhawk飞控板放入转台系统，可利用飞控板自带的姿态相关传感器，获取更为可靠的姿态信息。
52.本技术中的三轴飞行仿真系统为一套小型地面无人飞行器半物理仿真系统，可以实现快速控制原型(rcp)和硬件在回路(hil)两种模式的半物理仿真功能，满足用户在无人系统智能控制算法、气动数据知识提取、在线参数辨识等研究领域相关人才培养和科研需求。
53.主要的硬件设备可以包括建模开发计算机、实时仿真计算机、小型三轴转台、遥控器、飞控盒子、泡沫飞机模型等。
54.1、建模开发计算机，可以发出操控命令的计算机-上位机。笔记本电脑，负责最初的模型搭建，和实验过程中对整个系统的运作控制与监测。包含matlab2020a和主控程序rtsimplus。
55.2、实时仿真计算机
56.直接控制设备获取设备状况的计算机-下位机。实时仿真计算机用于实时运行动力学模型，运行实时操作系统软件，硬件包括机箱、处理器、异步通讯卡(具体可以是3621板卡)等，基于vxworks实时操作系统。
57.3、小型三轴转台
58.自身可以实时模拟无人机的三自由度运动姿态。同时为泡沫飞机模型和飞控板提供了运动载台，内部也包含一个搭建的simulink模型转成c语言的驱动模型。
59.4、遥控器
60.用于单向给飞控板传送指令信号，要使用哪些遥控器的通道可在控制器模型中选择。
61.5、飞控盒子
62.控制器模型在飞控盒子中的pixhawk上运行，实现控制器的作用。主要包含pixhawk、接收器、板卡232，使用px4固件。
63.6、泡沫飞机模型
64.作为无人机模型，具有一对副翼、v型尾翼和一个螺旋桨。
65.参见图3和图4所示，图3为本技术公开的一种各个设备之间的通信示意图，图4为本技术公开的各个设备的示意图，需要指出的是，连线方式并不是固定的，使用哪种通信方
式也不是固定的，只是在现有的接收发送具体物理器件的约束下，通信方式被固定为了串口、以太网等。只要在同一网络下，就可以进行通信，而不一定要直连。
66.(1)上位机与飞控板之间的通信(usb)
67.上位机的控制器模型搭建好后，需要上传到飞控板中去，因为运行控制器模型的是飞控板。无论是normal或者external模式，上传都需要飞控板与上位机通过usb直连建立通信。normal是指将搭建好的模型烧录到飞控板中，让飞控板将模型记录下来，能够在没有上位机的时候使用这个模型；external模式是外部模式，飞控板需要与上位机一直用usb连着，上位机充当飞控板的“硬盘”。外部模式支持在simulink中实时的查看系统的运行状态、在线修改参数，从而大大的减少了因为修改模型参数重新编译模型所需的时间。额外地，上位机可以通过usb向飞控板供电，因此在连接了usb的情况下，飞控板不需要额外的电源。两种模式都可以让飞控板正常运行，对于其他设备而言，飞控板的两种运行模式产生的效果是一样的。
68.(2)上位机与下位机之间的通信(网线、主控程序)
69.动力学模型搭好后编译构建，会生成一个和编译器名称相关的文件夹，有了这个文件夹后，就可以通过主控程序打开这个模型，即仿真配置导入模型。在上位机与下位机有网线连接时，目标机会显示绿色的“空闲”，此时点击运行，模型就已经在仿真机中运行了，并不包含一个可视的上传进度条。
70.(3)控制器接收控制信号(无线、pwm)
71.遥控器与接收器的配对已经完成的情况下，遥控器就已经和飞控板建立连接了，在控制器模型中添加相对应的接收模块就可以读取遥控器传过来的信号。
72.(4)控制器与动力学模型通信(串口)
73.至此，动力学模型在下位机中，控制器模型在飞控板中，运行起来，需要它们两个之间能够通信。飞控盒子内部有rs232板卡与pixhawk直连，下位机上有3621板卡，使飞控盒与下位机可以通过串口连接。
74.(5)下位机驱动三维视景(网线、udp)
75.三维视景指游戏x-plane11，它可以通过udp通信来外部驱动游戏飞机飞行。因此，一台有x-plane11的计算机(也可以是上位机)与下位机用网线连接即可。
76.(6)下位机驱动三轴转台(网线、udp)
77.三轴转台和下位机双向通信。
78.图5为本技术实施例提供的一种电子设备的结构示意图。具体可以包括：至少一个处理器21、至少一个存储器22、电源23、通信接口24、输入输出接口25和通信总线26。其中，所述存储器22用于存储计算机程序，所述计算机程序由所述处理器21加载并执行，以实现前述任一实施例公开的由电子设备执行的信息展示方法中的相关步骤。
79.本实施例中，电源23用于为电子设备20上的各硬件设备提供工作电压；通信接口24能够为电子设备20创建与外界设备之间的数据传输通道，其所遵循的通信协议是能够适用于本技术技术方案的任意通信协议，在此不对其进行具体限定；输入输出接口25，用于获取外界输入数据或向外界输出数据，其具体的接口类型可以根据具体应用需要进行选取，在此不进行具体限定。
80.其中，处理器21可以包括一个或多个处理核心，比如4核心处理器、8核心处理器
等。处理器21可以采用dsp(digital signal processing，数字信号处理)、fpga(field－programmable gate array，现场可编程门阵列)、pla(programmable logic array，可编程逻辑阵列)中的至少一种硬件形式来实现。处理器21也可以包括主处理器和协处理器，主处理器是用于对在唤醒状态下的数据进行处理的处理器，也称cpu(central processing unit，中央处理器)；协处理器是用于对在待机状态下的数据进行处理的低功耗处理器。在一些实施例中，处理器21可以在集成有gpu(graphics processing unit，图像处理器)，gpu用于负责显示屏所需要显示的内容的渲染和绘制。一些实施例中，处理器21还可以包括ai(artificial intelligence，人工智能)处理器，该ai处理器用于处理有关机器学习的计算操作。
81.另外，存储器22作为资源存储的载体，可以是只读存储器、随机存储器、磁盘或者光盘等，其上所存储的资源包括操作系统221、计算机程序222及数据223等，存储方式可以是短暂存储或者永久存储。
82.其中，操作系统221用于管理与控制电子设备20上的各硬件设备以及计算机程序222，以实现处理器21对存储器22中海量数据223的运算与处理，其可以是windows、unix、linux等。计算机程序222除了包括能够用于完成前述任一实施例公开的由电子设备20执行的信息展示方法的计算机程序之外，还可以进一步包括能够用于完成其他特定工作的计算机程序。数据223除了可以包括电子设备接收到的由外部设备传输进来的数据，也可以包括由自身输入输出接口25采集到的数据等。
83.进一步的，本技术实施例还公开了一种计算机可读存储介质，所述存储介质中存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器加载并执行时，实现前述任一实施例公开的由信息展示过程中执行的方法步骤。
84.本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其它实施例的不同之处，各个实施例之间相同或相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
85.专业人员还可以进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本技术的范围。
86.结合本文中所公开的实施例描述的方法或算法的步骤可以直接用硬件、处理器执行的软件模块，或者二者的结合来实施。软件模块可以置于随机存储器(ram)、内存、只读存储器(rom)、电可编程rom、电可擦除可编程rom、寄存器、硬盘、可移动磁盘、cd-rom、或技术领域内所公知的任意其它形式的存储介质中。
87.最后，还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那
些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
88.以上对本发明所提供的一种三轴飞行仿真系统和信息展示方法、设备及存储介质进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。