無人機綜合仿真與測試平臺技術研究

(1.北京交通大學 機械與電子控制工程學院，北京 100044;2.北京自動控制研究所，北京 100854; 3.中國民航大學，天津 300300)

0 引言

固定翼無人機在軍事，國防，民用上都具有非常廣泛的應用。如今的無人機的發(fā)展正向著智能化，信息化方向進行。而無人機上的眾多敏感電子元器件，如大量傳感器，控制電路是否正常運行以及無人機飛控計算機的邏輯是否正確，決定著無人機的飛行的健康狀況和可靠性。而無人機系統(tǒng)即包括三大部分：無人機，無人機地面控制站以及無人機地面檢測站。因此，在每次無人機放飛前的地面綜合檢測就顯得尤為關鍵。一套對無人機的完善的地面綜合測試將能確保無人機在起飛前得到快速的，準確的，完備的功能測試，定位相應可能的故障，是無人機飛行前的一道重要保障。目前各國都在通過標準化無人機地面檢測流程，模塊化檢測組件以達到在無人機快速更新?lián)Q代的今天，能夠統(tǒng)一地對多機型，多功能的無人機進行綜合地面測試。我國在對固定翼無人機地面檢測的數(shù)字化，多機型匹配的研究過程中仍處于探索階段，相對于起步較早的西方國家，有較多經驗和技術上的差距。目前，國內重點考慮無人機機載設備及飛行功能的研制，而忽視了無人機綜合檢測控制系統(tǒng)的研制，使無人機綜合檢測控制系統(tǒng)處于相對落后的狀態(tài)，與較為先進的美國航空器測試技術相比，其主要表現(xiàn)為檢測控制自動化水平落后、通用性差，可移植性差，模塊化不明顯。

1 地面檢測系統(tǒng)的整體結構及原理

地面綜合檢測設備系統(tǒng)應是嚴格模塊化的，可根據不同的檢測要求，接插不同的檢測設備，調用不同的軟件。相應的物理接口需要統(tǒng)一設計并應用。

圖1 無人機地面綜合檢測系統(tǒng)整體設計

綜合試驗平臺試驗控制、地面指令模擬器、模擬器數(shù)據生成、數(shù)據獲取、數(shù)據中心等，與XXX模擬器、XXX設備、XXX等共同構成飛行器半物理仿真環(huán)境與測試平臺。被測設備包括飛行器各路傳感器，子系統(tǒng)控制器，各個模擬器對應的控制子系統(tǒng)，飛行器管理計算機(vehicle management computer, VMC)以及機上電液流量匹配控制系統(tǒng)(electrohydraulic flow matching control system，EFMC)。

由設計圖可知，數(shù)據中心與各個子系統(tǒng)均有數(shù)據交互，這個支持多型號的設計來源于以元數(shù)據為基礎的實驗過程設置(如參數(shù)結構表，幀結構表，飛行包幀結構表等)，通過XML格式(機器友好)或EXCEL格式(人類友好)的形式進行本地或初級配置，便于將相應的本地更改更新至全局數(shù)據庫(Microsoft SQL Server)，統(tǒng)一多個工控測試機的配置數(shù)據接口。

綜合來看包括無人機地面飛行仿真以及模擬外界故障注入部分、無人機實時控制，數(shù)據采集檢測以及智能故障診斷部分。以下分別介紹。

2 無人機地面飛行仿真以及模擬外界故障注入

無人機飛行仿真及故障注入系統(tǒng)由無人機地面綜合實驗平臺中的飛控地面設備，飛行包解析，編輯和顯示系統(tǒng)，故障注入系統(tǒng)，模擬器數(shù)據生成系統(tǒng)，XXX模擬器、XXX設備以及數(shù)據中心等構成。

為了真實的模擬無人機的飛行狀況，模擬器數(shù)據生成設備進行無人機外部物理參數(shù)的飛行仿真，根據已有的仿真飛行包數(shù)據，通過高速互聯(lián)的反射內存卡，計算產生相應的參數(shù)，輸入給各個模擬器和測試設備。實際的物理仿真由過去在天上采集的各個傳感器信號構成，將之前正常的遙測數(shù)據進行回放。通過此種方法，也可以便于檢驗之后的故障分析過程，同時為之后的可能的基于數(shù)據的故障檢測方法提供思路。

故障注入轉發(fā)系統(tǒng)軟件主要實現(xiàn)對機載系統(tǒng)的故障注入，并對故障注入前后的數(shù)據進行顯示與存儲。同時，要求故障注入轉發(fā)系統(tǒng)具有遠程接口，可通過以太網接受上位機控制，并可通過網絡實現(xiàn)數(shù)據的遠程存儲。故障注入系統(tǒng)由上位機與下位機組成。上位機使用windows 7 操作系統(tǒng)負責人機交互、接收遠程終端指令、對下位機控制。下位機實現(xiàn)對硬件資源的操作完成故障注入轉發(fā)，使用RT系統(tǒng)以滿足實時性要求。故障注入轉發(fā)系統(tǒng)設備組成框圖如圖2所示。

圖2 故障注入轉發(fā)系統(tǒng)設備圖

而模擬量/離散量注入則確保無人機在部分系統(tǒng)出現(xiàn)人為故障的情況下能做出相應調整，響應外界故障信息。為了提高故障注入的實時性和可靠性，本子系統(tǒng)采用基于實時操作系統(tǒng)的LabWindows/CVI下位機操作多種PXI板卡將開關量故障或模擬量故障注入仿真環(huán)境。

其中模擬量故障注入原理如圖3所示。

開關量故障注入原理如下圖(以28 V為例)：

圖4 離散量28 V開關故障注入與轉發(fā)框圖

XXX模擬器是最新的基于VXI虛擬儀器的機上設備模擬設備，可使用統(tǒng)一的硬件接口支持不同的軟件邏輯，在多型號無人機檢測中具有重要應用。每一個模擬器是外接機箱的大型計算平臺，根據輸入量和狀態(tài)參數(shù)計算提供相應的輸出，即遙測數(shù)據。

仿真部分與故障注入部分包括如下方面的技術研究：

1)研究無人機運動學&動力學模型;

2)研究模型數(shù)值方法;

3)研究虛擬儀器控制技術;

4)研究控制實時性技術。

3 地面檢測系統(tǒng)對無人機進行實時控制，數(shù)據采集檢測

地面檢測系統(tǒng)由綜合試驗平臺中的試驗控制系統(tǒng)，地面指令模擬器系統(tǒng)，數(shù)據獲取系統(tǒng)，數(shù)據中心系統(tǒng)，數(shù)據顯示系統(tǒng)等構成。

一個完整的檢測設備包括四部分：信息采集部分；信息處理部分；信息傳輸、記錄或顯示部分；附加設備部分。在無人機綜合試驗平臺中，我們需要全面檢測系統(tǒng)功能，并完成數(shù)據采集與分發(fā)，和保證有效的數(shù)據通信地面檢測設備要保證遙測數(shù)據采集的實時性、準確性和可靠性。地面綜合實驗平臺和飛控計算機以及各個分系統(tǒng)之間的數(shù)據通訊應當保持同步，數(shù)據采用多個標準的幀格式，確保準確可靠。

圖5 各個模擬設備的數(shù)據周期嚴格控制

過程中的網絡通信采用實時傳輸協(xié)議，采用實時網絡構成，在各個網絡節(jié)點連入硬件構成的網絡時間檢測控制器，確保數(shù)據的實時性和同步性。

圖6 實時網絡構建，圓點為硬件實時檢測設備節(jié)點

數(shù)據獲取與數(shù)據中心是綜合試驗平臺的組成部分，主要接收數(shù)據源數(shù)據(遙測數(shù)據)并根據幀信息進行解析，解析后的參數(shù)向數(shù)據獲取、數(shù)據顯示發(fā)送。由于不同的數(shù)據源具有不同的波特率，因此在設計中，數(shù)據獲取采用固定頻率方式，將多個非同源數(shù)據進行規(guī)整后，向2個輸出出口(試驗控制和數(shù)據顯示)以固定頻率發(fā)送。其實現(xiàn)原理如圖7所示。

如圖所示，各參數(shù)解析器的解算結果都會存儲在動態(tài)MAP中，當收到客戶端發(fā)送的參數(shù)請求后，在MAP中索引該參數(shù)的當前最新值，并以固定頻率組播至客戶端。

測試與檢測部分包括如下技術研究：

1)研究數(shù)據通信原理;

2)研究網絡通信和接口技術;

3)研究關系型數(shù)據庫處理技術。

4 無人機各系統(tǒng)的故障地面診斷

一般地說，故障診斷就是根據系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測獲得的信息，結合已知的診斷對象結構特性、參數(shù)、環(huán)境條件及運行歷史，對系統(tǒng)可能發(fā)生的或已經發(fā)生的故障進行預報、分析和判斷，確定故障的性質、類別、程度、原因及部位，指出故障發(fā)生和發(fā)展的趨勢及后果，提出控制故障繼續(xù)發(fā)展和消除故障的措施，并加以實施。診斷的實質是一種在診斷推理方法作用下，診斷信息從輸入趨向診斷結論輸出的過程。

根據機載設備的特點，該實驗平臺采用由基于事例推理子系統(tǒng)構成的主要的推理結構。該結構可以較好地模擬專家的故障診斷能力，并具有較強的適應性和綜合性，可用于故障的預判和診斷。

該專家系統(tǒng)應用于圖1中的試驗控制部分，作為故障檢測系統(tǒng)的“大腦”。它將發(fā)送時間序列相關的控制指令，接收的遙測回令內容形成的閉環(huán)控制進行綜合分析。試驗控制的遙控指令按測試流程歸類，可分別測試不同子系統(tǒng)，測試流程按時間前后，逐個發(fā)出相應的控制指令，等待數(shù)據獲取傳回來的遙測回令完成逐個測試結果判斷。

通過將相應的遙控-遙測對的邏輯值關系記錄進入數(shù)據庫。由于故障與控制時間相關，因此考慮將多個連續(xù)時間點一起構成故障知識序列，并用樹形結構存儲對應的知識表，構成這里的專家系統(tǒng)。在實驗過程中，通過搜素知識庫就可以對無人機飛行狀況做出相應預判，達到提前“會診”的要求。

圖9 三層知識單元組成的故障知識序列

由多個知識序列組成的知識庫，形成了一棵很大的判斷樹，該樹的子節(jié)點個數(shù)，長度都是不固定的。應用相應的樹形搜索可以快速定位所需知識的判斷樹的位置。而樹形搜索方法，和不斷擴大的知識庫對知識單元——遙控-遙測對的數(shù)據結構和編碼要求較高。本實驗中采取了雙向鏈表表示知識序列，便于知識樹的正向和逆向搜索。

雖然單個知識單元的結構可以提供通用接口，來應對不同型號無人機的檢測要求。但是，知識序列本身需要根據型號進行相應修改，其中涉及到大量位置搜索與插入，刪除節(jié)點的操作。因此引入知識集合的概念，將通用的故障知識作為子集公用，而不同型號的差異由相應的集合的并集覆蓋。最后得到一個存儲和計算空間較優(yōu)的知識庫。該知識庫可大量重用，部分修改完善，并增添新規(guī)則。

地面故障診斷部分包括如下技術研究：研究智能故障診斷技術。

5 基于核心任務與核心數(shù)據流的軟硬件設計

無人機地面綜合仿真，測試平臺涉及眾多軟硬件。以圖1中的地面指令模擬器為例，介紹相應的設計流程。地面指令模擬器是綜合試驗平臺的組成部分，主要向飛行器發(fā)送地面模擬指令，并可接收試驗控制設備的控制信息，依據試驗流程進行指令發(fā)送動作。地面指令模擬器設備運行架構如圖10所示。

圖10 地面指令模擬器硬件交聯(lián)關系圖

該綜合實驗平臺的軟件設計中最重要的部分是建立核心任務與控制核心數(shù)據流。

軟件從功能上分為5個模塊：配置文件管理模塊、設備管理模塊、指令合成模塊、任務管理模塊、UI模塊。

圖11 地面指令模擬器軟件模塊圖

如圖11所示，各模塊功能描述如下：

1)配置文件管理模塊負責解析腳本，將相關參數(shù)緩存至本地，供其它模塊使用：

(1)幀格式表：配置C/S幀格式；

(2)設備表：配置網絡、同步422、異步422等相關參數(shù)；

(3)指令參數(shù)基礎表：配置指令/參數(shù)相關參數(shù)；

(4)服務器配置表：配置服務器IP地址、用戶名、密碼、數(shù)據庫名；

2)設備管理模塊負責初始化硬件相關資源，從配置文件管理模塊中獲取設備參數(shù)表進行初始化：

(1)TCP服務器：初始化為TCP服務器，監(jiān)聽客戶端請求；

(2)UDP單播：初始化為UDP單播，供其它模塊進行收發(fā)操作；

(3)UDP組播：初始化為UDP組播，供其它模塊進行收發(fā)操作；

(4)UDP廣播：初始化為UDP廣播，供其它模塊進行收發(fā)操作；

(5)同步422：對同步422板卡進行初始化，供其它模塊進行收發(fā)操作；

(6)異步422：對異步422板卡進行初始化，供其它模塊進行收發(fā)操作；

3)指令合成模塊負責對其它模塊將要設置的參數(shù)值，收發(fā)次數(shù)等參數(shù)進行合并，提供給其它模塊使用；

(1)UI指令合成：接收UI傳來的參數(shù)，與其它參數(shù)合并供其它模塊使用；

(2)試驗控制指令合成：接收試驗控制傳來的參數(shù)，與其它參數(shù)合并供其它模塊使用；

4)任務管理模塊負責和系統(tǒng)中的其他模塊按照通信協(xié)議的規(guī)定進行通信。任務管理模塊的功能包括：

(1)試驗控制任務：接收試驗控制指令、解析參數(shù)、發(fā)送心跳、反饋狀態(tài)等；

(2)VMC計算機任務：發(fā)送控制指令，接收遙測數(shù)據等；

(3)EFMC計算機任務：發(fā)送控制指令，接收遙測數(shù)據等；

(4)加解密任務：對遙控指令進行加密，對遙測數(shù)據進行解密；

5)UI模塊負責進行用戶交互，提供簡潔、美觀、人性化的交互手段來完成各項功能。UI層主要的模塊包括：

(1)通道選擇：可選擇不同通道；

(2)本地/遠程模式切換：可選擇本地模式或遠程模式；

(3)區(qū)域選擇：可選擇不同指令區(qū)域供用戶編輯；

(4)指令編輯：編輯指令內容，設置發(fā)送次數(shù)；

(5)已發(fā)送幀查看：實時顯示已發(fā)送幀；

(6)遙測幀查看：實時顯示遙測幀。

核心數(shù)據流控制由指令合成模塊進行，核心任務由任務管理模塊執(zhí)行。

軟件總體操作流程描述整個軟件的總體操作過程，指令編輯流程為部分構成核心數(shù)據流的關鍵流程。具體如下所示。

圖12 軟件總體操作流程

圖13 總體流程中指令編輯流程圖

6 實驗結果與分析

本課題所研究的無人機地面綜合檢測系統(tǒng)，主要應用于無人機的飛控系統(tǒng)和多個分系統(tǒng)的地面檢測，實現(xiàn)對無人機的數(shù)據采集、分析和智能故障診斷。

該無人機地面綜合檢測系統(tǒng)具有以下特點：

1)全系統(tǒng)采用模塊化設計，測試參數(shù)，硬件配置，仿真參數(shù)采用XML文本參數(shù)集描述，可移植性強,通用性強。

2)采用多個虛擬儀器軟件模擬仿真無人機各個子系統(tǒng)，地面仿真無人機的飛行狀態(tài)。

3)是基于組播技術的多工控計算機控制多路實時數(shù)據傳輸，處理構成對無人機的飛控計算機及各子系統(tǒng)的大量遙測數(shù)據的測試系統(tǒng)。數(shù)據帶寬達到百兆級，延時等級為<50 μs級。

4)采用基于專家知識的智能故障診斷技術定位無人機機上復雜系統(tǒng)的故障。依據知識庫，可定位90%以上的歷史故障，定位準確率高達98%。

7 結束語

本文在某國家重點軍工研究項目的基礎上，總結并闡釋當前我國較新的無人機地面綜合檢測系統(tǒng)的技術路線和研究成果。

該系統(tǒng)的已交付部分成功應用于國內某軍用無人機的地面檢測，取得較好成效，并移植到另一型號無人機平臺開始試驗測試。該系統(tǒng)的體系結構和研究成果將為后續(xù)型號的無人機地面試驗平臺起到借鑒意義。