基于Linux的小型無(wú)人直升機(jī)實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)構(gòu)建

0 引 言
    小型無(wú)人直升機(jī)具有垂直起降、懸停、巡航以及快速轉(zhuǎn)變航向等特性，使得它成為一種理想的無(wú)人飛行器，并被廣泛地應(yīng)用于除軍事目的以外的諸如交通執(zhí)法監(jiān)控、海洋／環(huán)境監(jiān)測(cè)以及航空攝影／測(cè)量等許多領(lǐng)域。在進(jìn)行實(shí)際自主飛行試驗(yàn)時(shí)，由于小型無(wú)人直升機(jī)本身是一個(gè)極其復(fù)雜的非線性系統(tǒng)，加之實(shí)驗(yàn)環(huán)境的變化，因此具有很大的不確定性，稍有不慎，就可能造成飛機(jī)的失控甚至墜毀。為了保證實(shí)際飛行實(shí)驗(yàn)的安全，縮短開(kāi)發(fā)周期，減少開(kāi)發(fā)資金的投入，同時(shí)便于對(duì)飛行控制系統(tǒng)進(jìn)行驗(yàn)證與調(diào)較，設(shè)計(jì)一套小型無(wú)人直升機(jī)的實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)便顯得尤為迫切。詳細(xì)介紹了基于Linux的小型無(wú)人直升機(jī)的實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)整個(gè)搭建過(guò)程。

1 小型無(wú)人直升機(jī)實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
1．1 無(wú)人直升機(jī)實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)構(gòu)建
    在此以Raptor90無(wú)人直升機(jī)為實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，如圖1所示。

    要構(gòu)建一套切實(shí)可行的小型無(wú)人直升機(jī)仿真系統(tǒng)，需要對(duì)小型無(wú)人直升機(jī)實(shí)際飛行過(guò)程進(jìn)行全面的建模。而其中對(duì)小型無(wú)人直升機(jī)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型建模又是重中之重。這里主要利用MIT以及Aalborg大學(xué)研究人員提出的兩套無(wú)人直升機(jī)的建模方法，結(jié)合各自的優(yōu)點(diǎn)，充分考慮無(wú)人直升機(jī)在不同模態(tài)切換之間的模型差異，對(duì)無(wú)人直升機(jī)進(jìn)行數(shù)學(xué)建模，并轉(zhuǎn)換成可以實(shí)施的仿真系統(tǒng)模型。仿真系統(tǒng)主要包括直升機(jī)數(shù)學(xué)模型模塊、飛行控制系統(tǒng)模塊、數(shù)據(jù)融合模塊、控制輸入模塊，人機(jī)圖形界面模塊以及數(shù)據(jù)通信模塊等。其中直升機(jī)數(shù)學(xué)模型模塊主要包括：直升機(jī)非線性模型、直升機(jī)線性化模型、陣風(fēng)擾動(dòng)模型、地形模型、傳感器模型以及伺服驅(qū)動(dòng)器模型。直升機(jī)非線性模型主要包括主旋翼、伺服小翼、尾旋翼、空氣動(dòng)力學(xué)模型以及6自由度剛體動(dòng)力學(xué)模型。直升機(jī)線性化模塊主要是在直升機(jī)非線性模型的基礎(chǔ)上根據(jù)控制需要進(jìn)行適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化，以便用來(lái)對(duì)線性控制器的性能進(jìn)行檢驗(yàn)。陣風(fēng)擾動(dòng)模型主要用來(lái)對(duì)小型無(wú)人直升機(jī)在實(shí)際飛行環(huán)境中的陣風(fēng)進(jìn)行模擬。地形模型主要考慮直升機(jī)在起飛和降落過(guò)程中與地面之間的相互作用。這當(dāng)中涉及到地面與槳葉間的渦流效應(yīng)，對(duì)其建模非常復(fù)雜，故這里暫時(shí)不考慮。傳感器模型主要包括GPS定位模型、IMu測(cè)量模型和聲納測(cè)距模型。伺服驅(qū)動(dòng)模型主要模擬將伺服板接收到的輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換為伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)并最終轉(zhuǎn)換成機(jī)械動(dòng)作后直接作用于旋翼的過(guò)程。飛行控制系統(tǒng)模塊指利用設(shè)計(jì)的控制算法對(duì)直升機(jī)進(jìn)行自主飛行控制。數(shù)據(jù)融合模塊主要指利用卡爾曼濾波算法對(duì)各個(gè)傳感器測(cè)量到的數(shù)據(jù)進(jìn)行融合計(jì)算?？刂戚斎肽K主要用于直升機(jī)自主飛行時(shí)對(duì)其飛行狀態(tài)進(jìn)行調(diào)校。人機(jī)圖形界面能生動(dòng)實(shí)時(shí)地再現(xiàn)直升機(jī)的仿真效果。經(jīng)過(guò)以上分析，可以得到小型無(wú)人直升機(jī)仿真系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

1．2 圖形界面軟件工具簡(jiǎn)介
    這里的無(wú)人機(jī)仿真系統(tǒng)是以Linux操作系統(tǒng)為開(kāi)發(fā)平臺(tái)，以FLTK(Fast Light Tool Kit)圖形用戶界面工具箱實(shí)現(xiàn)人機(jī)界面顯示，并用Mesa／C)penGL實(shí)現(xiàn)飛行過(guò)程的實(shí)時(shí)三維動(dòng)態(tài)仿真。
    FLTK是一個(gè)用++編寫(xiě)的圖形界面開(kāi)發(fā)工具。FLTK在具有基本的GUI功能之外，還擁有一些特殊的功能，比如跨平臺(tái)、內(nèi)置OpenGL功能、尺寸更小等。FLTK使用Fl—Gl—Window這個(gè)類將OpenGL的基本功能囊括其中，開(kāi)發(fā)時(shí)只要在Fl—Gl—window的draw()里glbegin／glend即可。無(wú)人直升機(jī)仿真系統(tǒng)的人機(jī)界面需要顯示直升機(jī)3D實(shí)時(shí)飛行狀態(tài)，這就需要用到OpenGL這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的三維計(jì)算機(jī)圖形接口。OpenGL由SGI公司開(kāi)發(fā)，可以在不同的平臺(tái)如windows 95，windows NT，Unix，Linux，Mac()s，()s／2等之間進(jìn)行移植。然而C)penGL不是自由軟件，它的版權(quán)、商標(biāo)(OpenGL這個(gè)名字)都?xì)wSGI公司所有。在Linux下用Mesa來(lái)取代OpenGL。Mesa提供與OpenGL幾乎完全一致的接口，并且Mesa是遵循GPL協(xié)議的自由軟件，使得它對(duì)新硬件的支持度等方面甚至超過(guò)OpenGL。[!--empirenews.page--]

2 仿真系統(tǒng)程序模塊編寫(xiě)
    仿真系統(tǒng)程序模塊主要包括模塊直升機(jī)數(shù)學(xué)模型-模塊、控制輸入模塊、數(shù)據(jù)融合模、通信模塊、飛行控制系統(tǒng)模塊以及人機(jī)圖形界面模塊。下面主要對(duì)直升機(jī)數(shù)學(xué)模型模塊、控制輸入模塊、通信模塊以及人機(jī)圖形界面模塊進(jìn)行代碼編寫(xiě)。
2．1 直升機(jī)數(shù)學(xué)模型模塊
    首先用類封裝各個(gè)子模型的主要屬性，主要包括主旋翼子模型、伺服小翼子模型、尾旋翼子模型，陣風(fēng)擾動(dòng)子模型以及伺服驅(qū)動(dòng)子模型等；然后再把這些子模型封裝在一個(gè)直升機(jī)的類Heli中，看成直升機(jī)類的類成員變量；再為直升機(jī)類增加適當(dāng)?shù)某蓡T函數(shù)，來(lái)完成各子模型的實(shí)際功能，這樣就構(gòu)成了直升機(jī)整體。之后可以利用此類進(jìn)行實(shí)例的定義及使用。

   
    接下來(lái)便可以根據(jù)上面的Heli類來(lái)代入Rator90直升機(jī)的實(shí)際參數(shù)。
2．2 控制輸入模塊
    在此選擇Logitech EXTREME 3D PRO JOYSTIC作為飛行控制輸入遙桿。首先，需要將遙桿的驅(qū)動(dòng)程序掛載進(jìn)內(nèi)核。在／etc／rc．10cal文件中添加如下語(yǔ)句：

    modprobe／lib／modules／2．6．1 1／kernel／drivers／input／joydev．o
    即可在每次啟動(dòng)內(nèi)核時(shí)自動(dòng)加載搖桿驅(qū)動(dòng)模塊并檢查與其他模塊的屬性相依。
    控制器成功掛載進(jìn)內(nèi)核之后，利用幾個(gè)主要數(shù)據(jù)讀取函數(shù)對(duì)遙桿的輸人數(shù)據(jù)進(jìn)行讀?。?/p>

   
    然后便可通過(guò)socket通信模塊，把數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到仿真平臺(tái)主程序上，再由主程序處理分配到各個(gè)終端。
2．3 通信模塊
    該仿真系統(tǒng)主要采用Socket(套接字)網(wǎng)絡(luò)接口編程技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)各個(gè)模塊之間的數(shù)據(jù)交換，即進(jìn)程間的通信。Socket主要有2種，使用TCP(傳輸控制協(xié)議)協(xié)議的流式Socket通信和使用UDP(用戶數(shù)據(jù)報(bào))協(xié)議的數(shù)據(jù)報(bào)Socket通信。TCP協(xié)議提供面向連接的、提供端到端檢查與糾錯(cuò)全雙工字節(jié)流傳輸。UDP協(xié)議是非連接的，可提供高速的傳輸服務(wù)，但不提供可靠的傳輸服務(wù)。該仿真程序使用UDP數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議，因是在本機(jī)內(nèi)部進(jìn)行通信，并且一個(gè)端口可以同時(shí)接收來(lái)自幾個(gè)端口的信息，無(wú)疑提高了效率。對(duì)通信雙方進(jìn)行類封裝，建立基于UDP網(wǎng)絡(luò)通信的Server和Client類。主要實(shí)現(xiàn)代碼如下：

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2．4 人機(jī)圖形界面模塊
    圖形界面是最能體現(xiàn)仿真效果的部分。這里采用Linux系統(tǒng)下的FLTK和OpenGL／Mesa圖形函數(shù)庫(kù)進(jìn)行圖形界面程序開(kāi)發(fā)，主要代碼如下：

3 仿真系統(tǒng)運(yùn)行結(jié)果分析
    對(duì)仿真系統(tǒng)所有模塊的源文件建立Makefile文件，以便今后程序的修改與調(diào)試。用Linux下的gcc編譯器編譯鏈接，生成各個(gè)模塊的可執(zhí)行文件。整個(gè)仿真系統(tǒng)運(yùn)行如下。
    圖3為直升機(jī)運(yùn)行功能面板。可以聯(lián)合手柄的按鍵，設(shè)置各個(gè)不同的功能鍵。

    圖4為直升機(jī)3D運(yùn)行界面以及狀態(tài)面板。當(dāng)執(zhí)行懸?？刂瞥绦驎r(shí)，仿真程序會(huì)根據(jù)使預(yù)先設(shè)定好的參數(shù)，先進(jìn)行垂直起飛，再飛向目標(biāo)位置，然后在目標(biāo)位置上進(jìn)行定點(diǎn)懸停。同時(shí)可以從直升機(jī)狀態(tài)面板上，很直觀地看到直升機(jī)飛行姿態(tài)的變化。

4 結(jié) 語(yǔ)
    詳細(xì)介紹了小型無(wú)人直升機(jī)仿真系統(tǒng)的構(gòu)建。整個(gè)仿真系統(tǒng)是在Linux上搭建的。仿真系統(tǒng)運(yùn)行結(jié)果很好地再現(xiàn)了直升機(jī)3D飛行過(guò)程，垂直起降以及定點(diǎn)懸停等。整個(gè)仿真系統(tǒng)大大縮短了研究周期，減少了資金的投入，并為接下來(lái)飛行控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與驗(yàn)證提供了良好的基礎(chǔ)。