为旋翼式无人飞行器开发硬件在环仿真器

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:
  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。

The Solution:
  使用NI CompactRIO和LabVIEW FPGA 模块开发集成的模块化HIL仿真系统。

   无人驾驶飞行器在民用和军用的许多领域中，是一个很有前景的低成本选择。相比传统的飞行器，无人飞行器可以提供更低的运行成本和显著的人员安全优势（特别是枯燥、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按照需要的轨迹飞行。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，因为它有着可靠且可重新配置的构架，可以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LabVIEW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仿真器可以快速而便捷的进行编程。它们还可以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：

硬件选型和系统建立
设计传感器采集软件和控制系统
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，用于采集传感器信息，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NI 9411管理RS232协议，从Crossbow NAV420 AHRS (航姿系统) 接收飞行数据信息；分别利用数字输入模块NI 9411和数字输出模块NI 9474，接收和发送PWM执行器信号；利用数字输入模块NI 9411和数字输出模块NI 9474管理I2C协议，采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NI 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。
还可以选择性地添加OpenGL视觉系统计算机，用于重现直升机飞行时的虚拟景色。视觉系统可以通过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Crossbow NAV 420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RS232协议，确保确定性数据采集。第二个读取循环管理PWM命令数据采集。另一个读写循环用于采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数据采集、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LabVIEW Real-Time Communication Wizard。同时，在Windows OS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Global Majic软件公司的飞行器仪器那样。我们还可以使用额外的信息，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NI PXI-7831R上的FPGA代码，它与实际RUAV系统运行的FPGA代码是相同的。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LabVIEW Control Design and Simulation Module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Crossbow NAV 420的RS232输出；运行LabVIEW实时软件的CompactRIO系统，它与实际运行在GCS计算机的软件是相同的。

   直升机仿真器和实时代码运行在相同的机器上，这是因为所有的源代码都使用了独立的循环。这种设定的结果就是机载计算机“认为”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相同的。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可以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较表明，使用开发的HIL模拟器作为RUAV系统的地面安全测试台是十分可行的。

   在将来，我们将对仿真平台做进一步的改进。我们将在HIL仿真器上实现更为复杂的动力学模型，包含更精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。