为旋翼式无人飞行器开发硬件在环仿真器.docx

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1、为旋翼式无人飞行器开发硬件在环仿真器ronggang导语：使用NICompactRIO和LabVIEWFPGA模块开发集成的模块化HIL仿真系统Products:PXI-7831R,CompactRIO,Real-TimeModule,LabVIEW,FPGAModule,ControlDesignandSimulationModule,NI9474,NI9411TheChallenge:为博洛尼亚大学UNIBO的旋翼式无人飞行器RUAV平台开发硬件在环测试台，它能够对实际的UAV系统进行模拟，用于进行安全无风险的飞行前测试。TheSolution:使用CompactRIO和LabVIEWFP

2、GA模块开发集成的模块化HIL仿真系统。CompactRIO和HIL仿真器能够快速而便捷的进行编程。它们还能够加速软硬件的开发和整合。无人驾驶飞行器在民用和军用的很多领域中，是一个很有前景的低成本选择。相比传统的飞行器，无人飞行器能够提供更低的运行成本和显著的人员安全优势十分是枯燥、肮脏和危险的任务。近几年来，我们开展了若干个民用的固定机翼或旋翼式UAV平台的研究项目。为了开发出这种类型的平台，我们需要新的航空电子系统，能够使直升机保持在稳定的高度并根据需要的轨迹飞行。该航空电子设备系统包含传感器、计算机和数据通信硬件，以及对飞行器进行导航和控制的软件。RUAV航空电子系统的开发，需要涉及到微

3、电子、数据通信、电子集成、安装和编程、滤波器设计、信号调理及振动隔离等广泛领域。传统的RUAV项目使用机载电子设备，需要雇佣大量的专业技术人员进行系统的装配和测试，这增加开发的时间成本。在我们开发的RUAV航空电子系统组件中，使用CompactRIO作为飞行计算机，由于它有着可靠且可重新配置的构架，能够快速而便捷地集成不同的I/O硬件和传感器。与直升机平台建造及航空电子系统开发同时进行的是，在环境中开发模块化半实物测试平台，用于安全无风险的飞行前测试。CompactRIO和HIL仿真器能够快速而便捷的进行编程。它们还能够加速软硬件的开发和整合。硬件和系统构架RUAV系统的开发通常使用下面的方法

4、：硬件选型和系统建立设计传感器收集软件和控制系统开发半实物测试台，对机载硬软件进行无风险的地面测试最终的自主飞行实验测试我们的RUAV平台由Hirobo60业余直升机组成，我们对直升机进行了改装来装载航空电子硬件。为了提高直升机的载重能力，我们还安装了更为强大的引擎、更长的玻璃纤维桨叶、更长的尾桁和尾桨。同时，我们使用CompactRIO硬件作为飞行计算机，用于收集传感器信息，并且根据CompactRIO上的控制算法生成PWM执行器信号。此系统利用数字输入模块NI9411管理RS232协议，从CrossbowNAV420AHRS航姿系统接收飞行数据信息;分别利用数字输入模块NI9411和数字输

5、出模块NI9474，接收和发送PWM执行器信号;利用数字输入模块NI9411和数字输出模块NI9474管理I2C协议，收集声纳传感器的高度信息;从现场可编程门阵列FPGA接收传感器信息并记录所有的飞行数据，同时管理与地面控制台的无线以太网通信。我们开发的HIL测试台在测试环中包含了尽可能多的飞行器硬件：运行机载软件的飞行计算机等效硬件。我们使用了PXI-7831R与计算机的通信。利用FPGA接口卡模拟CompactRIO实时计算机。模拟直升机单元和机载传感器输出的计算机。包含了真正的GCS源代码，并使用TCP/IP协议与模拟计算机进行通信的地面控制台GCS计算机。还能够选择性地添加OpenGL

6、视觉系统计算机，用于重现直升机飞行时的虚拟景色。视觉系统能够通过TCP/IP协议从GCS计算机接收输入。HIL仿真器软件LabVIEW代码管理整个RUAV系统和HIL仿真器。这两段软件有着典型的CompactRIO应用设计构架。在实际的RUAV系统中，FPGA代码使用四个不同的传感器读写循环和1个比例-积分-微分PID控制循环用于直升机的控制。PID循环是50Hz的闭环。写循环将PWM命令发送到直升机的主旋翼、尾旋翼和伺服执行器，完成预定义的飞行动作。第一个读取循环使用RS232协议，从CrossbowNAV420处获得直升机的高度、角速度、速度和GPS位置，我们使用FPGA数字输入管理RS2

7、32协议，确保确定性数据收集。第二个读取循环管理PWM命令数据收集。另一个读写循环用于收集声纳传感器数据并管理I2C协议。我们使用CompactRIO实时软件进行FPGA、机载飞行数据记录及与地面控制站的无线以太网通信。为了管理地面控制台的通信，我们使用了LabVIEWReal-TimeCommunicationWizard。同时，在WindowsOS中使用LabVIEW开发了地面控制台软件。远程图形化用户界面包含两个窗口：虚拟驾驶舱和用于实时显示飞行数据信息的遥感勘测窗口。我们使用ActiveX控件开发了虚拟驾驶舱，就像GlobalMajic软件公司的飞行器仪器那样。我们还能够使用额外的信息

8、，如GPS和惯性测量单元的状态和系统警告等。HIL仿真器中的等效代码包含了运行在NIPXI-7831R上的FPGA代码，它与实际RUAV系统运行的FPGA代码是一样的。在模拟计算机上运行的代码包含三个主要部分：仿真循环，它包含了使用LabVIEWControlDesignandSimulationModule开发的直升机仿真模型;串口写循环，用于根据直升机仿真循环的状态信息，模拟CrossbowNAV420的RS232输出;运行LabVIEW实时软件的CompactRIO系统，它与实际运行在GCS计算机的软件是一样的。直升机仿真器和实时代码运行在一样的机器上，这是由于所有的源代码都使用了独立的

9、循环。这种设定的结果就是机载计算机“以为正在控制飞行器，所有的配置数据流与自动飞行的设定都是一样的。在这种情况下，经过大量的地面安全仿真，我们在进行飞行测试前就能够了解机载软件的性能和可能的缺陷。成功开发硬件在环仿真器我们进行了HIL仿真和试飞，来测试使用选定的硬件和开发的软件用于直升机控制的可行性。仿真和试飞结果的比拟表明，使用开发的HIL模拟器作为RUAV系统的地面安全测试台是特别可行的。在将来，我们将对仿真平台做进一步的改良。我们将在HIL仿真器上实现更为复杂的动力学模型，包含更准确的飞行传感器模型。与RUAV平台一起，这些仿真环境提供了有效的测试平台，用于安全地面飞行前测试或研究不同的控制和导航策略。