2017-04-10 16:47:43

  “使用NI PXI,我們能夠在實時狀態下以低延時完成複雜的無人機模型仿真,並完美地模擬了航空設備界麵。”

  - Francisco Alarcón Romero, FADA-CATEC

  挑戰:

  在目標硬件上搭建一個係統,在實時控製仿真環境中,來驗證無人飛機(UAV)的製導、導航和控製(GNC)算法。

  解決方案:

  在開發的早期階段,開發一個硬件在環(HIL)測試環境來測試無人機GNC解決方案。

  HIL測試環境是軟件仿真和飛機實驗的一個中間步驟,對於無人機GNC軟件的開發過程非常關鍵。通過HIL環境,工程師可以在一個可控的仿真環境中對無人機軟件進行測試。同時,它也能加速設計,縮短開發周期。

  通過HIL環境,工程師可以發覺軟件仿真(主要是同步和定時)中沒有出現的問題,從而避免現場試驗的故障,並增加無人機團隊的安全性。

  我們開發了一個通用的HIL平台來設計驗證控製和導航算法。這個HIL測試環境完全集成在一個基於模型的設計開發周期中(見圖1)。

  HWIL測試環境示意圖

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  圖1:HWIL測試環境示意圖

  基於模型的開發

  首先我們設計編改了無人機平台,將其用於仿真,並將控製器和算法部署至硬件中。

  我們根據基於模型的設計理念來完成這個任務。對於係統設計和仿真來說這是一個可靠方便的方法。使用代碼自動生成工具可以使我們減少設計時間,輕鬆完成對於測試架構的重複利用,以及快速係統原型,從而形成一個連續的確認和驗證過程。

  構架的目的包括:在不同的硬件平台上不用任何改變即可對模型重複利用;對設計測試套件模型進行重複使用以驗證目標係統;將透明模型完全集成到目標硬件中,並創建一個係統的,快速的流程,將自動生成的代碼集成到目標硬件,從而使得控製工程師無需軟件工程師的參與,即可以快速測試模型(見圖2)。

  基於模型的開發流程

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  圖2 基於模型的開發流程

  對於這個項目,我們使用Simulink?公司的MathWorks軟件(我們還使用了Esterel Technologies公司的SCADE套件)開發了模型任務,並使用MathWorks和Real-Time Workshop?公司的軟件實現自動編碼。我們需要兩次不同的編改:在無人機中進行測試及執行的算法是由ANSI C代碼編寫的,仿真無人機動態行為的數學模型將通過LabVIEW仿真接口工具包轉換至NI LabVIEW軟件動態庫中。

  在最終的係統中,我們使用多個LabVIEW I/O模塊來仿真一些無人機航空電子和邏輯傳感器以及激勵器接口。

  LabVIEW Real-Time PXI

  PXI 是一個基於PC的平台,可用於測試,測量和控製,能夠在不同的接口和總線中提供高帶寬和超低的執行延時。在這個案例中,PXI需要在一個複雜的無人機模型中運行,該模型會在實時中以動態庫的形式被執行。 在係統中使用PXI模塊能讓我們使用無人機上完全一樣的接口進行HIL仿真。所以,我們會以現場實驗完全相同的配置驗證GNC算法處理單元。這對於一些使用純仿真不足以捕捉所有硬件相關問題(例如信號噪音,錯誤和同步問題)的係統來說是十分重要的。

  GPS仿真器

  通過Spirent GSS8000 GPS仿真器,我們能夠仿真並生成用戶選擇的GNSS星座衛星所發出的相同的射頻信號。這些信號會以飛行實驗相同的方式傳送到無人機上真實的GPS傳感器,並能仿真慣性傳感器(加速度計和回轉儀)。我們可以指定不同的情況,降級信號,指定天線模式及模擬IMU傳感器錯誤。

  板載處理單元

  我們在實時操作係統(QNX或VxWorks)中運行一個PC/104單元,操作係統中包含了算法和控製策略,用於測試自動代碼生成工具和集成架構創建的代碼的完成。我們在現場實驗的真實無人機中也使用了相同的單元。

  可視化

  我們可以使用Simulink External Mode軟件對無人機進行調試。通過這個軟件,我們可以監測用戶需要實時知曉的信號值。此外我們可以改變嵌入式處理單元中所執行算法的參數。在操作中所使用的界麵,與控製工程師在仿真設計算法時所使用的界麵完全一樣。由此,整個測試環境完全透明,而且能以同現場測試一樣的方式進行HIL測試,從而大幅減少開發時間。

  結果

  對比飛行遙測和使用同樣的GNC算法的HIL仿真,可以表明HIL的精準性和與真實測試結果的相似性。

  我們在一架改裝過的無線電控製的直升飛機上集成了幾個傳感器(加速度計,回轉儀,磁力計,GPS和一個高度計)和一個處理單元(見圖3),將其轉變成一架無人機,進行飛行測試。

  實驗中使用的基於CB5000 RC直升機改裝而成的無人機

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  圖3:實驗中使用的基於CB5000 RC直升機改裝而成的無人機

  圖3:實驗中使用的基於CB5000 RC直升機改裝而成的無人機圖3:實驗中使用的基於CB5000 RC直升機改裝而成的無人機

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