开发半实物模拟器-为旋翼式无人飞行器

开发半实物模拟器为旋翼式无人飞行器"我们选择NI公司的CompactRIO系统作为飞行计算机，是因为它有着可靠且可重配置的构架，这使我们能够快速简便地对不同的输入/输出硬件和传感器进行集成。"-R.Pretolani,UniversityofBolognaIISchoolofEngineeringForliTheChallenge:为博洛尼亚大学的旋翼式无人飞行器（RUAV）平台开发半实物测试台，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:系统构架使用NI公司的硬件和软件开发半实物模拟器作为集成的模块化系统。我们使用NIPXI-7831（而不是机载的CompactRIO控制器和FPGA模块）来模拟RUAV系统，同时我们利用NILabVIEWControlandDesignSimulationModule软件实现了直升机模型来模拟RUAV平台。与飞行测试的比较表明，我们开发的HIL模拟器是一个可靠的测试平台，可以对机载RUAV控制系统进行安全的地面测试。Author(s):R.Pretolani-UniversityofBolognaIISchoolofEngineeringForliG.M..Saggiani-UniversityofBolognaIISchoolofEngineeringForliB.Teodorani-UniversityofBolognaIISchoolofEngineeringForliF.Zanetti-UniversityofBolognaIISchoolofEngineeringForli在博洛尼亚大学DIEM航空航天系，我们开发了旋翼式无人飞行器，并使用NI公司的CompactRIO系统作为飞行数据采集和直升机控制的机载计算机。在第一次飞行测试中，UAV直升机可以在计算机控制下，完成完整的飞行动作。与RUAV系统开发同时进行的是模块化的半实物测试台，它也是在NILabVIEW环境中开发出来的，能够在飞行前进行安全无风险的硬件和软件测试。我们开发的半实物测试台（如图2所示），在测试环中包含了尽可能多的飞行器硬件，同时包含了与机载系统等效的软件和硬件。特别的是，我们使用了NI公司的PXI-7831来代替CompactRIOFPGA模块。在HIL中，我们使用NILabVIEWControlandDesignSimulation软件实现了直升机模型来模拟RUAV平台。与飞行测试的比较表明，HIL模拟器是一个可靠的测试平台，能够对机载RUAV控制系统进行安全的地面测试。图1.系统构架1/5 图2.HIL模拟器构架背景众所周知，无人驾驶飞行器在民用领域是一个很有前景的低成本选择。相比传统的飞行器，无人飞行器在人员安全（特别是枯燥、肮脏和危险的任务）、降低运作成本以及工作效率方面具有巨大的优势。近几年来，博洛尼亚大学进行了若干个民用的固定机翼或旋翼式UAV平台开发的研究项目。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。总的说来，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。大多数现有RUAV项目使用了机载电子设备，需要雇佣大量的专业技术人员进行系统的装配和测试，进而增加开发时间和总成本。在博洛尼亚大学，RUAV航空电子系统作为一个集成的模块化系统，是使用即时可用而且具有成本效益的技术开发出来的。我们选择NI公司的CompactRIO系统作为飞行计算机，是因为它有着可靠且可重配置的构架，这使我们能够快速简便地对不同的输入/输出硬件和传感器进行集成。与直升机平台建造及航空电子系统开发同时进行的是，在NILabVIEW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系统和半实物模拟器都能够进行快速而容易的编程，来大幅度地加速软硬件的开发与集成。我们将在下面的章节中介绍这些系统。硬件和软件构架通常，RUAV系统的开发需要经过一系列的步骤，包括：硬件选型和系统设置设计传感器采集软件和控制系统开发半实物仿真测试平台，对机载硬件和软件进行无风险的地面测试最终的自主飞行实验测试图1和图2中显示了RUAV系统的构架和HIL模拟器。机载系统和HIL模拟器都是使用大量NI公司的硬件和软件开发出来的。在UNIBO开发出的RUAV平台由Hirobo60业余直升机组成，它们被改装以装载航空硬件。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。NICompactRIO作为飞行计算机，用于采集传感器信息，并且根据实现的控制算法生成PWM执行器信号，特别是：●CompactRIOFPGA利用数字输入模块cRIO-9411管理RS232协议，从CrossbowNAV420AHRS（航姿系统）接收飞行数据信息。CompactRIOFPGA分别利用数字输入模块cRIO-9411和数字输出模块cRIO-9474，接收和发送PWM执行器信号CompactRIO利用数字输入模块cRIO-9411和数字输出模块cRIO-9474管理I2C协议，采集声纳传感器的高度信息CompactRIO实时核心从FPGA接收传感器信息并记录所有的飞行数据，同时它还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。为了这个目标，我们使用了与CompactRIOFPGA模块等效的NIP