為旋翼式無人飛行器開發(fā)硬件在環(huán)仿真器

Author(s):
G. M. Saggiani - University of Bologna, School of Engineering Forlì
R. Pretolani - University of Bologna, School of Engineering Forlì
B. Teodorani - University of Bologna, School of Engineering Forlì
F. Zanetti - University of Bologna, School of Engineering Forlì

Industry:
Aerospace/Avionics, Research

Products:
PXI-7831R, CompactRIO, Real-Time Module, LabVIEW, FPGA Module, Control Design and Simulation Module, NI 9474, NI 9411

The Challenge:
  為博洛尼亞大學(xué)(UNIBO)的旋翼式無人飛行器(RUAV)平臺開發(fā)硬件在環(huán)測試臺，它能夠?qū)嶋H的UAV系統(tǒng)進行模擬，用于進行安全無風(fēng)險的飛行前測試。

The Solution:
  使用NI CompactRIO和LabVIEW FPGA 模塊開發(fā)集成的模塊化HIL仿真系統(tǒng)。

   無人駕駛飛行器在民用和軍用的許多領(lǐng)域中，是一個很有前景的低成本選擇。相比傳統(tǒng)的飛行器，無人飛行器可以提供更低的運行成本和顯著的人員安全優(yōu)勢（特別是枯燥、骯臟和危險的任務(wù)）。近幾年來，我們開展了若干個民用的固定機翼或旋翼式UAV平臺的研究項目。

為了開發(fā)出這種類型的平臺，我們需要新的航空電子系統(tǒng)，能夠使直升機保持在穩(wěn)定的高度并按照需要的軌跡飛行。該航空電子設(shè)備系統(tǒng)包含傳感器、計算機和數(shù)據(jù)通信硬件，以及對飛行器進行導(dǎo)航和控制的軟件。RUAV航空電子系統(tǒng)的開發(fā)，需要涉及到微電子、數(shù)據(jù)通信、電子集成、安裝和編程、濾波器設(shè)計、信號調(diào)理及振動隔離等廣泛領(lǐng)域。傳統(tǒng)的RUAV項目使用機載電子設(shè)備，需要雇傭大量的專業(yè)技術(shù)人員進行系統(tǒng)的裝配和測試，這增加開發(fā)的時間成本。

在我們開發(fā)的RUAV航空電子系統(tǒng)組件中，使用CompactRIO作為飛行計算機，因為它有著可靠且可重新配置的構(gòu)架，可以快速而便捷地集成不同的I/O硬件和傳感器。

與直升機平臺建造及航空電子系統(tǒng)開發(fā)同時進行的是，在LabVIEW環(huán)境中開發(fā)模塊化半實物測試平臺，用于安全無風(fēng)險的飛行前測試。CompactRIO和HIL仿真器可以快速而便捷的進行編程。它們還可以加速軟硬件的開發(fā)和整合。

硬件和系統(tǒng)構(gòu)架

RUAV系統(tǒng)的開發(fā)通常使用下面的方法：

硬件選型和系統(tǒng)建立
設(shè)計傳感器采集軟件和控制系統(tǒng)
開發(fā)半實物測試臺，對機載硬軟件進行無風(fēng)險的地面測試
最終的自主飛行實驗測試
 

我們的RUAV平臺由Hirobo60業(yè)余直升機組成，我們對直升機進行了改裝來裝載航空電子硬件。為了提高直升機的載重能力，我們還安裝了更為強大的引擎、更長的玻璃纖維槳葉、更長的尾桁和尾槳。

同時，我們使用CompactRIO硬件作為飛行計算機，用于采集傳感器信息，并且根據(jù)CompactRIO上的控制算法生成PWM執(zhí)行器信號。此系統(tǒng)利用數(shù)字輸入模塊NI 9411管理RS232協(xié)議，從Crossbow NAV420 AHRS (航姿系統(tǒng)) 接收飛行數(shù)據(jù)信息；分別利用數(shù)字輸入模塊NI 9411和數(shù)字輸出模塊NI 9474，接收和發(fā)送PWM執(zhí)行器信號；利用數(shù)字輸入模塊NI 9411和數(shù)字輸出模塊NI 9474管理I2C協(xié)議，采集聲納傳感器的高度信息；從現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA）接收傳感器信息并記錄所有的飛行數(shù)據(jù)，同時管理與地面控制臺的無線以太網(wǎng)通信。

我們開發(fā)的HIL測試臺在測試環(huán)中包含了盡可能多的飛行器硬件：

運行機載軟件的飛行計算機等效硬件。我們使用了NI PXI-7831R與計算機的通信。利用FPGA接口卡模擬CompactRIO實時計算機。
模擬直升機單元和機載傳感器輸出的計算機。
包含了真正的GCS源代碼，并使用TCP/IP協(xié)議與模擬計算機進行通信的地面控制臺(GCS)計算機。
還可以選擇性地添加OpenGL視覺系統(tǒng)計算機，用于重現(xiàn)直升機飛行時的虛擬景色。視覺系統(tǒng)可以通過TCP/IP協(xié)議從GCS計算機接收輸入。
 

HIL仿真器軟件

LabVIEW代碼管理整個RUAV系統(tǒng)和HIL仿真器。這兩段軟件有著典型的CompactRIO應(yīng)用設(shè)計構(gòu)架。

     在實際的RUAV系統(tǒng)中，F(xiàn)PGA代碼使用四個不同的傳感器讀寫循環(huán)和1個比例-積分-微分（PID）控制循環(huán)用于直升機的控制。PID循環(huán)是50Hz的閉環(huán)。寫循環(huán)將PWM命令發(fā)送到直升機的主旋翼、尾旋翼和伺服執(zhí)行器，完成預(yù)定義的飛行動作。第一個讀取循環(huán)使用RS232協(xié)議，從Crossbow NAV 420處獲得直升機的高度、角速度、速度和GPS位置，我們使用FPGA數(shù)字輸入管理RS232協(xié)議，確保確定性數(shù)據(jù)采集。第二個讀取循環(huán)管理PWM命令數(shù)據(jù)采集。另一個讀寫循環(huán)用于采集聲納傳感器數(shù)據(jù)并管理I2C協(xié)議。

   我們使用CompactRIO實時軟件進行FPGA數(shù)據(jù)采集、機載飛行數(shù)據(jù)記錄及與地面控制站的無線以太網(wǎng)通信。為了管理地面控制臺的通信，我們使用了LabVIEW Real-Time Communication Wizard。同時，在Windows OS中使用LabVIEW開發(fā)了地面控制臺軟件。

   遠程圖形化用戶界面包含兩個窗口：虛擬駕駛艙和用于實時顯示飛行數(shù)據(jù)信息的遙感勘測窗口。我們使用ActiveX控件開發(fā)了虛擬駕駛艙，就像Global Majic軟件公司的飛行器儀器那樣。我們還可以使用額外的信息，如GPS和慣性測量單元的狀態(tài)和系統(tǒng)警告等。

   HIL仿真器中的等效代碼包含了運行在NI PXI-7831R上的FPGA代碼，它與實際RUAV系統(tǒng)運行的FPGA代碼是相同的。在模擬計算機上運行的代碼包含三個主要部分：仿真循環(huán)，它包含了使用LabVIEW Control Design and Simulation Module開發(fā)的直升機仿真模型；串口寫循環(huán)，用于根據(jù)直升機仿真循環(huán)的狀態(tài)信息，模擬Crossbow NAV 420的RS232輸出；運行LabVIEW實時軟件的CompactRIO系統(tǒng)，它與實際運行在GCS計算機的軟件是相同的。

   直升機仿真器和實時代碼運行在相同的機器上，這是因為所有的源代碼都使用了獨立的循環(huán)。這種設(shè)定的結(jié)果就是機載計算機“認(rèn)為”正在控制飛行器，所有的配置數(shù)據(jù)流與自動飛行的設(shè)定都是相同的。在這種情況下，經(jīng)過大量的地面安全仿真，我們在進行飛行測試前就可以了解機載軟件的性能和可能的缺陷。

成功開發(fā)硬件在環(huán)仿真器

   我們進行了HIL仿真和試飛，來測試使用選定的硬件和開發(fā)的軟件用于直升機控制的可行性。仿真和試飛結(jié)果的比較表明，使用開發(fā)的HIL模擬器作為RUAV系統(tǒng)的地面安全測試臺是十分可行的。

   在將來，我們將對仿真平臺做進一步的改進。我們將在HIL仿真器上實現(xiàn)更為復(fù)雜的動力學(xué)模型，包含更精確的飛行傳感器模型。與RUAV平臺一起，這些仿真環(huán)境提供了有效的測試平臺，用于安全地面飛行前測試或研究不同的控制和導(dǎo)航策略。