基于Windows+RTX 的便攜式無人機(jī)測試系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

薛艷峰

(中國人民解放軍92419 部隊(duì)，遼寧葫蘆島 125106)

無人機(jī)在國內(nèi)軍事和民用方面應(yīng)用日趨廣泛，與此同時(shí)，無人機(jī)的技術(shù)水平、復(fù)雜程度也越來越高，自主導(dǎo)航、遠(yuǎn)程遙控、航線再規(guī)劃等技術(shù)被廣泛應(yīng)用。對于完成無人機(jī)地面技術(shù)準(zhǔn)備、指標(biāo)測試的設(shè)備得到了關(guān)注，用戶對其功能和要求也在逐步提高，特別是在軍事應(yīng)用領(lǐng)域，“無人機(jī)系統(tǒng)”概念的不斷深入和“六性”設(shè)計(jì)被廣泛要求的情況下，地面測試設(shè)備不再是配套附屬地位，已成為衡量一套無人機(jī)系統(tǒng)保障性的重要部分。

本文區(qū)別于上下位機(jī)的應(yīng)用系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方式，研制了1 套基于Windows +RTX 操作系統(tǒng)的PXI 總線便攜式計(jì)算機(jī)為核心的無人機(jī)測試系統(tǒng)，將無人機(jī)技術(shù)準(zhǔn)備過程中的單項(xiàng)、綜合及仿真測試工作集成到1 臺計(jì)算機(jī)中，保證了仿真測試實(shí)時(shí)性要求，同時(shí)也降低了系統(tǒng)復(fù)雜度，提高了維修性，更好地貼近了用戶提出自動化、便攜性、通用性等要求。

1 測試需求分析

1.1 無人機(jī)基本工作原理

該型無人機(jī)系統(tǒng)主要包括無人機(jī)、地面測試系統(tǒng)、地面保障設(shè)備、地面指揮測控站等，其中無人機(jī)主要由機(jī)體、動力分系統(tǒng)(包括渦噴發(fā)動機(jī)、ECU、燃油系統(tǒng)和進(jìn)氣道)、飛行控制與管理分系統(tǒng)、電氣分系統(tǒng)、遙控遙測分系統(tǒng)和回收分系統(tǒng)等組成。全系統(tǒng)機(jī)載設(shè)備信息交換原理如圖1 所示。

飛行控制與管理系統(tǒng)是無人機(jī)完成飛行任務(wù)的核心，包括飛行導(dǎo)航與控制計(jì)算機(jī)、衛(wèi)星+捷聯(lián)慣性組合導(dǎo)航系統(tǒng)、無線電高度表、大氣數(shù)據(jù)系統(tǒng)(包括大氣數(shù)據(jù)計(jì)算機(jī)、總靜壓管)、舵機(jī)等構(gòu)成。飛行導(dǎo)航與控制計(jì)算機(jī)采用數(shù)字信號的形式，通過ECU 控制供油油量，得到發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)對發(fā)動機(jī)的閉環(huán)控制。飛行導(dǎo)航與控制計(jì)算機(jī)負(fù)責(zé)飛行控制、飛行管理以及機(jī)載設(shè)備管理等任務(wù)，具有自主飛行和人工遙控飛行2 種飛行模式，并配合測試設(shè)備完成全機(jī)指標(biāo)性能測試。

圖1 無人機(jī)機(jī)載設(shè)備信息交換原理

1.2 測試需求分析

無人機(jī)地面技術(shù)準(zhǔn)備測試主要包括對無人機(jī)機(jī)載涉電設(shè)備的單項(xiàng)測試、綜合測試和仿真測試。上述測試基本實(shí)現(xiàn)了對無人機(jī)的基層級測試工作，可確定無人機(jī)功能和性能指標(biāo)是否滿足技術(shù)要求，可將故障定位到機(jī)載可更換單元，具體測試內(nèi)容及要求如下:

單項(xiàng)測試包括電氣單項(xiàng)測試、回收系統(tǒng)單項(xiàng)測試、飛控系統(tǒng)單項(xiàng)測試、發(fā)動機(jī)單項(xiàng)測試。其中飛控系統(tǒng)單項(xiàng)測試包括組合導(dǎo)航系統(tǒng)測試、大氣數(shù)據(jù)計(jì)算機(jī)定點(diǎn)和動態(tài)測試、無線電高度表單項(xiàng)測試、舵系統(tǒng)單項(xiàng)測試、主傳動比測試等，通常安排在設(shè)備裝機(jī)后進(jìn)行。

綜合測試主要通過模擬無人機(jī)全過程飛行流程，檢查全機(jī)電氣連接的正確性，檢驗(yàn)各分系統(tǒng)間信息交互正確性，通常安排在單項(xiàng)測試后進(jìn)行，也通常應(yīng)用于無人機(jī)技術(shù)狀態(tài)固化后，遠(yuǎn)距離轉(zhuǎn)場或較長時(shí)間未飛行的節(jié)點(diǎn)測試。

仿真測試主要用于檢驗(yàn)和測試無人機(jī)的核心設(shè)備(飛控導(dǎo)航與管理計(jì)算機(jī))的功能、策略是否正常，規(guī)劃的航路是否與無人機(jī)飛行特性吻合，并檢驗(yàn)其在邊界條件、干擾環(huán)境下的飛行特性、飛行導(dǎo)航是否滿足要求等。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)硬件組成

基于集成化、自動化、通用化、便攜性的設(shè)計(jì)理念，本系統(tǒng)設(shè)備主要包括測試計(jì)算機(jī)，以及程控直流電源、大氣數(shù)據(jù)測控儀、陀螺儀表綜合試驗(yàn)轉(zhuǎn)臺、無線電高度信號測試儀等通用儀器儀表和用于設(shè)備連接的接口箱、配套電纜等。

測試計(jì)算機(jī)機(jī)箱采用了PS PXI-9106。該機(jī)箱兼容PXI和CompactPCI 總線模塊，其中1 槽為系統(tǒng)控制器槽位，可配合最大三槽寬的嵌入式控制器使用。機(jī)箱內(nèi)配置了1 塊控制器、1 塊多功能數(shù)據(jù)采集卡、2 塊串口卡。其中控制器采用了PS PXI-3051 型高性能控制器，采用Intel 酷睿i5 雙核處理器，基礎(chǔ)主頻2.7 GHz，集成256G SSD 硬盤，4GB DDR2 內(nèi)存，集成了2 個(gè)千兆以太網(wǎng)口，2 個(gè)視頻輸出端口。多功能數(shù)據(jù)采集卡采用了PS PXI -3354 型采集卡，板卡提供16 路18bit、1.25MSPS 采樣率模擬輸入通道，4 路16bit、200kSPS 更新率同步模擬輸出通道，16 路DIO，2 路最大計(jì)數(shù)頻率120MHz、位寬32bit 的計(jì)數(shù)器。模擬輸入輸出、數(shù)字輸入輸出及計(jì)數(shù)器與主控側(cè)電路采用了電氣隔離，有效防止了被測量系統(tǒng)共模電壓的引入，隔離耐壓大于560 V，適用于高可靠性，高安全性的自動化測試測量以及數(shù)據(jù)采集應(yīng)用。串口卡采用了PS PXI-3510 智能串口卡，可提供8 路異步串口，每通道串口模式可獨(dú)立配置，支持RS -232/422/485，232 可達(dá)1Mbps 通信速率，422/485 可達(dá)10Mbps 通信速率。

該測試計(jì)算機(jī)采用了一體化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，集成了12.1 英寸LCD 液晶觸摸屏及鍵盤、觸控板、觸控筆等，可通過定制的適配器，以BNC，SMA，圓形航空插頭，大規(guī)模互聯(lián)接口等方式與其他設(shè)備進(jìn)行信號連接。根據(jù)使用場合要求，本設(shè)備采用了圓形航空插頭形式的適配器，將板卡輸入輸出與接口箱進(jìn)行相連，保證了設(shè)備的可靠連接、提高了設(shè)備的操作性。

程控直流電源用于測試過程中對機(jī)供電，大氣數(shù)據(jù)測控儀用于大氣數(shù)據(jù)計(jì)算機(jī)測試過程中的標(biāo)準(zhǔn)氣壓源，陀螺儀表綜合試驗(yàn)轉(zhuǎn)臺用于測試慣性組合導(dǎo)航系統(tǒng)過程中性能的基準(zhǔn)平臺，無線電高度表測試儀采用延時(shí)線的方式，實(shí)現(xiàn)了不同高度的模擬。上述通用儀器儀表均可以采用RS422/485通信進(jìn)行自動控制。

2.2 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1)單項(xiàng)測試和綜合測試軟件

測試軟件由LabVIEW 開發(fā)而成，采用分層調(diào)用的形式實(shí)現(xiàn)。它是面向流程的軟件設(shè)計(jì)，并不是采用結(jié)構(gòu)化編程方式的設(shè)計(jì)。軟件結(jié)構(gòu)共分3 層:第一層為應(yīng)用層，為主程序模塊，用于調(diào)度相應(yīng)的軟件任務(wù);第二層為連接層，由硬件功能模塊和應(yīng)用功能模塊組成，用于連接應(yīng)用層與底層驅(qū)動;第三層為接口模塊，為底層儀器的驅(qū)動函數(shù)，完成對儀器設(shè)備的配置和交互。

LabVIEW 是一種用圖標(biāo)代替文本行創(chuàng)建應(yīng)用程序的圖形化編程語言，采用數(shù)據(jù)流編程方式，程序框圖中節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)流向決定了VI 及函數(shù)的執(zhí)行順序。該軟件提供很多外觀與傳統(tǒng)儀器(如示波器、萬用表)類似的控件，可用來方便地創(chuàng)建用戶界面。用戶界面在LabVIEW 中被稱為前面板。前面板創(chuàng)建完畢后，便可使用圖形化的函數(shù)添加源代碼來控制前面板上的對象。在程序框圖上添加圖形化代碼，即G 代碼或程序框圖代碼［1-2］。

2)仿真測試軟件

仿真測試軟件按照功能劃分成非實(shí)時(shí)部分和實(shí)時(shí)部分，分別運(yùn)行在Windows 7 平臺和RTX2011 實(shí)時(shí)子系統(tǒng)上，采用了實(shí)時(shí)信號量和共享內(nèi)存的方式實(shí)現(xiàn)了2 部分的有機(jī)結(jié)合。非實(shí)時(shí)部分主要包括人機(jī)界面、結(jié)果處理等，實(shí)時(shí)部分主要包括無人機(jī)動力學(xué)仿真和機(jī)載設(shè)備仿真等。

軟件實(shí)時(shí)部分仿真建模采用了Simulink/RTW 開發(fā)工具，生成源代碼后下載至RTX 實(shí)時(shí)子系統(tǒng)中。RTW 是MATLAB 圖形建模和仿真環(huán)境Simulink 的一個(gè)重要的功能補(bǔ)充模塊，是一個(gè)基于Simulink 的代碼自動生成環(huán)境，可直接從Simulink 模型中產(chǎn)生優(yōu)化的、可移植的和個(gè)性化的代碼，并根據(jù)目標(biāo)配置自動生成多種環(huán)境下的程序。

RTX2011 是WINDOWS 的一個(gè)插件，是一個(gè)真正的擴(kuò)展，也沒有影響、修改它的基礎(chǔ)，其中包括RTSS 實(shí)時(shí)子系統(tǒng)。其實(shí)時(shí)功能可以按照WindowsXP 驅(qū)動開發(fā)工具(DDK)和HAL 模型來實(shí)現(xiàn)。RTSS 實(shí)時(shí)子系統(tǒng)調(diào)度機(jī)制采用優(yōu)先級和搶占算法，確保了關(guān)鍵線程的上下文切換，可在微秒的范圍內(nèi)轉(zhuǎn)向更高優(yōu)先級的線程，支持高達(dá)32 個(gè)處理器，計(jì)時(shí)器精度最高可達(dá)0.001 ns，其在概念上與其他WindowsXP 子系統(tǒng)(例如win32、POSIX、和DOS)相似［3］。

RTX2011 實(shí)時(shí)系統(tǒng)支持Windows XP、windows7、windows Vista，支持Microsoft Visual Studio2005、2008、2010 集成開發(fā)環(huán)境，為開發(fā)人員提供了一個(gè)一體化的開發(fā)平臺進(jìn)行開發(fā)，極大地簡化了開發(fā)流程。該實(shí)時(shí)系統(tǒng)在不增加額外的硬件設(shè)備的情況下，把windows 操作系統(tǒng)打造成實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，與采用上下位機(jī)通過以太網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的方式相比，實(shí)時(shí)性更強(qiáng)，比反射光纖網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換更直接，將硬實(shí)時(shí)和GUI高級特性集成在同一硬件平臺上，明顯增加了系統(tǒng)的可靠性，降低了開發(fā)和調(diào)試難度［4-5］。

2.3 基本工作原理

1)信號采集與激勵(lì)控制

一般情況下，對模擬量的測量可采用數(shù)字萬用表或A/D。數(shù)字萬用表模塊的測量范圍標(biāo)稱可以達(dá)到直流1 000 V，在測量輸入范圍和測量精度上相比A/D 更適用。掃描A/D 測量方式具有響應(yīng)快的技術(shù)特點(diǎn)，對于精度要求不是很高的測量完全可以勝任。本系統(tǒng)電壓測試精度要求不超過0.01 V，對于18 位的采集卡來說完全可以勝任，因此在設(shè)計(jì)中未考慮采取數(shù)字萬用表。

測試設(shè)備向無人機(jī)施加的激勵(lì)主要包括:對機(jī)供電、施加開關(guān)量指令、發(fā)送指令幀數(shù)據(jù)、發(fā)送舵控電壓信號等內(nèi)容，其通過IO 控制電路、串口卡、DA 輸出來實(shí)現(xiàn)。

2)飛行仿真

無人機(jī)仿真主要包括無人機(jī)飛行動力學(xué)仿真和無人機(jī)仿真，其仿真信息交鏈關(guān)系見圖2。飛行動力學(xué)仿真主要由以下幾個(gè)模塊組成:氣動模塊、運(yùn)動方程模塊、質(zhì)量特性模塊、大氣模塊、風(fēng)模塊、紊流模塊等，其根據(jù)無人機(jī)操縱舵面、發(fā)動機(jī)推力、人工初始賦值、無人機(jī)質(zhì)量、重心等輸入數(shù)據(jù)，針對無人機(jī)氣動模型，仿真解算出無人機(jī)的高度、空速、俯仰角、經(jīng)緯度位置等信息，輸出到無人機(jī)系統(tǒng)仿真模型。

“氣動模塊”計(jì)算無人機(jī)的氣動系數(shù)、氣動力和力矩。氣動系數(shù)是飛行高度、速度、迎角、側(cè)滑角以及速度等飛行參數(shù)的函數(shù)，不同型號無人機(jī)的氣動數(shù)據(jù)是上述飛行參數(shù)的函數(shù)。本系統(tǒng)采用插值法求取氣動系數(shù)［6］。

“運(yùn)動方程”模塊解算無人機(jī)六自由度非線性全量運(yùn)動方程，獲取無人機(jī)的姿態(tài)和位置以及其他飛行參數(shù)。在該模塊中，首先綜合無人機(jī)所受的各種力和力矩，包括重力、氣動力、發(fā)動機(jī)推力，及其各種力矩，計(jì)算沿機(jī)體軸的線加速度和角速度，然后應(yīng)用積分產(chǎn)生無人機(jī)的合成速度等。將風(fēng)和紊流擾動速度加到機(jī)體軸線速度上，用來計(jì)算飛行軌跡參數(shù)［7］。

無人機(jī)仿真主要包括機(jī)載傳感器、舵機(jī)、回收分系統(tǒng)等設(shè)備的仿真。仿真通常分為總體性能仿真、集成部件仿真。對于該無人機(jī)仿真測試系統(tǒng)，采用設(shè)備總體性能仿真即可滿足系統(tǒng)仿真應(yīng)用，例如將發(fā)動機(jī)系統(tǒng)當(dāng)作一個(gè)整體，對其主要輸入、輸出性能進(jìn)行建模，視推力和轉(zhuǎn)速為主要輸出性能參數(shù)，而油門舵機(jī)位置作為輸入?yún)?shù)來進(jìn)行仿真。在仿真模型建立過程中，為進(jìn)一步提高仿真逼真度，在設(shè)計(jì)過程中也考慮了設(shè)備輸入輸出數(shù)據(jù)的誤差模型、誤差外部注入等。

3 測試應(yīng)用

3.1 單項(xiàng)測試和綜合測試

該系統(tǒng)具備手動測試和自動測試2 種模式。例行技術(shù)準(zhǔn)備過程中，通常采用自動模式，按照設(shè)計(jì)的測試流程、測試標(biāo)準(zhǔn)對無人機(jī)電氣設(shè)備進(jìn)行測試。測試完成后，可按照規(guī)定的表格輸出結(jié)果數(shù)據(jù)，并標(biāo)識測試結(jié)果是否正常。若出現(xiàn)測試結(jié)果不正常的情況，可采取手動測試的模式進(jìn)行單步測試，以確定故障設(shè)備及故障類型。在單項(xiàng)測試中，基本實(shí)現(xiàn)了單個(gè)部件或分系統(tǒng)的測試，例如大氣數(shù)據(jù)計(jì)算機(jī)、無線電高度表、發(fā)動機(jī)控制系統(tǒng)等，滿足了對無人機(jī)可更換單元的故障定位要求。

圖2 無人機(jī)仿真信息交鏈?zhǔn)疽鈭D

測試過程設(shè)備連接如圖3 所示。

圖3 單項(xiàng)及綜合測試設(shè)備連接示意圖

3.2 仿真測試

仿真測試過程中，通過對機(jī)測試電纜與安裝于無人機(jī)上的飛控導(dǎo)航與控制計(jì)算機(jī)進(jìn)行相連，實(shí)現(xiàn)對其的仿真測試。設(shè)備連接如圖4 所示。

圖4 仿真測試設(shè)備連接示意圖

4 結(jié)束語

該系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中充分考慮了用戶實(shí)際使用需求，選用了高可靠性、可擴(kuò)展的PXI 總線計(jì)算機(jī)，采用數(shù)據(jù)采集卡替代了常用的矩陣開關(guān)+數(shù)字萬用表的方案，采用了Windows+RTX 的操作系統(tǒng)方案，滿足了實(shí)時(shí)性要求，降低了開發(fā)難度。通過實(shí)際使用對比，系統(tǒng)測試功能全面，可靠性高，具有較高的借鑒價(jià)值［8］。

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