無人直升機(jī)飛控系統(tǒng)仿真環(huán)境概述

黃賢開

無人直升機(jī)飛控系統(tǒng)仿真環(huán)境概述

黃賢開

（航空工業(yè)直升機(jī)設(shè)計(jì)研究所，江西 景德鎮(zhèn) 333001）

無人直升機(jī)飛行控制系統(tǒng)的主要功能是通過控制主、尾槳葉的槳距和發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)門，以穩(wěn)定直升機(jī)姿態(tài)（俯仰、橫滾）和航向，控制飛行航跡（爬升、下降、巡航、左右盤旋、懸停等），實(shí)現(xiàn)從起飛到降落整個(gè)過程的飛行管理。由于飛控系統(tǒng)直接關(guān)系到無人直升機(jī)的飛行安全和飛行特性，其中飛行控制律的調(diào)參設(shè)計(jì)及仿真、系統(tǒng)綜合集成、功能轉(zhuǎn)換及故障模擬等是飛控系統(tǒng)研制的重點(diǎn)內(nèi)容，因此飛控系統(tǒng)的研制必須具備良好的仿真環(huán)境。旨在對(duì)飛控系統(tǒng)各種仿真技術(shù)的優(yōu)劣進(jìn)行分析。

無人直升機(jī)；飛行控制系統(tǒng)；仿真技術(shù)；仿真系統(tǒng)

1 無人直升機(jī)仿真技術(shù)發(fā)展與現(xiàn)狀

仿真技術(shù)的發(fā)展歷經(jīng)50多年，大致分為2個(gè)階段[1]：①發(fā)展階段。第二次世界大戰(zhàn)末期，當(dāng)時(shí)還沒有計(jì)算機(jī)，仿真是利用實(shí)物進(jìn)行，即模擬仿真，火炮與飛行控制動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)的研制推進(jìn)了采用模擬方法進(jìn)行仿真的發(fā)展，1946年第一臺(tái)電子模擬的計(jì)算機(jī)研制成功。從20世紀(jì)50年代末期至20世紀(jì)60年代，洲際導(dǎo)彈與宇宙飛船的研制促使混合性仿真技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，同時(shí)仿真技術(shù)也在阿波羅登月計(jì)劃等方面得到應(yīng)用。②成熟階段。當(dāng)前無人直升機(jī)飛控系統(tǒng)仿真技術(shù)主要有兩種，一種是帶有部分實(shí)物的半物理仿真系統(tǒng)，又稱為硬件在回路仿真系統(tǒng)（Hardware-In-Loop，簡稱HIL），將系統(tǒng)關(guān)鍵硬件實(shí)物接入到仿真回路，為其運(yùn)行提供虛擬的控制環(huán)境[2]，其又可以分為飛控計(jì)算機(jī)在回路的半物理仿真系統(tǒng)（如圖1所示）和傳感器在回路的半物理仿真系統(tǒng)（如圖2所示）；另外一種是不帶任何實(shí)物的等效仿真系統(tǒng)（也稱數(shù)學(xué)仿真系統(tǒng)[3]），如圖3所示，所有軟件均可以在一臺(tái)PC機(jī)上完成。

2 不同仿真系統(tǒng)的組成及工作原理

2.1 半物理仿真系統(tǒng)

2.1.1 不含真實(shí)傳感器的半物理仿真系統(tǒng)

不含真實(shí)傳感器的半物理實(shí)時(shí)仿真環(huán)境由（實(shí)物）飛行控制計(jì)算機(jī)、小型化仿真設(shè)備（仿真機(jī)）、一臺(tái)或兩臺(tái)PC機(jī)（或筆記本電腦）等硬件構(gòu)成，配套軟件包括機(jī)載飛行控制軟件、模型實(shí)時(shí)仿真軟件、遙控遙測(cè)軟件以及仿真控制臺(tái)軟件。

飛行控制計(jì)算機(jī)和機(jī)載飛行控制軟件為無人直升機(jī)真實(shí)的軟硬件配置，實(shí)現(xiàn)機(jī)載實(shí)時(shí)飛行控制的功能；小型化仿真設(shè)備和仿真控制臺(tái)具有模擬和監(jiān)控?zé)o人直升機(jī)的動(dòng)力學(xué)飛行特性以及機(jī)載傳感器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)等設(shè)備特性；遙控遙測(cè)軟件實(shí)現(xiàn)遙控指令的發(fā)送和遙測(cè)信息的接收，對(duì)仿真過程進(jìn)行全程監(jiān)控。整套系統(tǒng)不僅能夠?qū)崿F(xiàn)無人直升機(jī)飛行控制的所有功能，同時(shí)也具有飛行控制計(jì)算機(jī)等關(guān)鍵機(jī)載設(shè)備的檢測(cè)功能，主要用于無人直升機(jī)飛行控制系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)室、內(nèi)場(chǎng)和外場(chǎng)的仿真與測(cè)試。

圖1 半物理仿真系統(tǒng)框圖（無真實(shí)傳感器）

圖2 半物理仿真系統(tǒng)框圖（含真實(shí)傳感器）

圖3 等效仿真系統(tǒng)框圖

2.1.2 含真實(shí)傳感器的半物理仿真系統(tǒng)

含真實(shí)傳感器的半物理仿真系統(tǒng)由（實(shí)物）飛行控制計(jì)算機(jī)、小型化仿真設(shè)備、一臺(tái)或兩臺(tái)PC機(jī)（或筆記本電腦）、三軸轉(zhuǎn)臺(tái)（轉(zhuǎn)臺(tái)上安裝垂直陀螺和角速率陀螺）構(gòu)成，其配套軟件與不含真實(shí)傳感器的半物理仿真系統(tǒng)相同。

與不含真實(shí)傳感器的半物理仿真系統(tǒng)相比，此仿真系統(tǒng)增加了三軸轉(zhuǎn)臺(tái)（垂直陀螺和角速率陀螺），這樣仿真使用的陀螺信號(hào)來自于真實(shí)的陀螺，飛控計(jì)算機(jī)接收到真實(shí)的陀螺信號(hào)，進(jìn)行解算，再將解算得到的控制信號(hào)發(fā)送給模型，小型化仿真設(shè)備再將姿態(tài)信號(hào)發(fā)送給轉(zhuǎn)臺(tái)，帶動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)運(yùn)動(dòng)，形成閉環(huán)控制。

2.2 等效仿真系統(tǒng)組成

等效仿真環(huán)境由一臺(tái)或兩臺(tái)PC機(jī)（或筆記本電腦）構(gòu)成，配套軟件是等效飛行控制軟件和遙控遙測(cè)軟件，其中遙控遙測(cè)軟件與半物理仿真環(huán)境使用的軟件相同。等效飛行控制軟件將仿真控制臺(tái)界面、模型實(shí)時(shí)仿真模塊（不涉及硬件）和機(jī)載飛控軟件核心控制模塊等三個(gè)主要部分集成到一個(gè)軟件中，忽略了硬件的約束。整套系統(tǒng)目的是在飛行控制系統(tǒng)研制過程中便于控制律設(shè)計(jì)和軟件開發(fā)人員快速驗(yàn)證控制方案和軟件功能，等效飛行控制軟件中的核心控制模塊與真實(shí)機(jī)載軟件中的相應(yīng)模塊是完全一致的，可以實(shí)現(xiàn)軟硬件開發(fā)的同步和快速集成。該系統(tǒng)主要用于無人直升機(jī)飛行控制系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)室和外場(chǎng)仿真與驗(yàn)證。

3 不同仿真系統(tǒng)的優(yōu)劣

3.1 半物理仿真系統(tǒng)

半物理仿真是把控制系統(tǒng)中所研究的部分實(shí)物（如飛控計(jì)算機(jī)、傳感器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)等）接入仿真系統(tǒng)中進(jìn)行仿真，不僅提高了仿真的逼真度，而且避免了對(duì)實(shí)物復(fù)雜特性進(jìn)行數(shù)學(xué)描述和近似表達(dá)的必要性，還可以使設(shè)備自身經(jīng)受與實(shí)際飛行中相似的性能試驗(yàn)。半物理仿真較好地解決了全實(shí)物實(shí)驗(yàn)和純數(shù)學(xué)仿真兩種試驗(yàn)方法的不足，一方面有效解決了全實(shí)物試驗(yàn)的成本高和風(fēng)險(xiǎn)大的缺點(diǎn)；另一方面又解決了純數(shù)學(xué)仿真的精度和直觀性差等缺點(diǎn)，為控制系統(tǒng)的研制（包括控制規(guī)律研究、控制參數(shù)優(yōu)化、性能預(yù)測(cè)、故障診斷等）提供了非常有力的工具[4]。由此可見，半物理仿真的結(jié)果能更全面反映實(shí)際飛行控制系統(tǒng)的工作狀態(tài)，可信度較高。

由于半物理仿真技術(shù)有良好的可控性和安全性，具有不受氣候環(huán)境限制、可多次重復(fù)使用等特點(diǎn)，目前它已成為無人直升機(jī)控制系統(tǒng)在預(yù)研、方案論證或改型、設(shè)計(jì)制造和使用維護(hù)等過程中的一種重要的試驗(yàn)手段和技術(shù)工具。應(yīng)用半物理仿真技術(shù)可以有效地縮短控制系統(tǒng)的研制周期，并大大降低控制系統(tǒng)的研制費(fèi)用。

相對(duì)于其優(yōu)勢(shì)，半物理仿真技術(shù)的不足主要包括以下方面：由于小型化仿真設(shè)備（仿真機(jī)）既需要實(shí)現(xiàn)飛機(jī)模型和設(shè)備的實(shí)時(shí)模擬，又要實(shí)現(xiàn)設(shè)備電氣接口的等效，使得系統(tǒng)對(duì)CPU、內(nèi)存、硬件接口等方面要求高，同時(shí)又要做到小型和便攜，對(duì)某些項(xiàng)目則顯得資源不足；對(duì)于不同項(xiàng)目，模型實(shí)時(shí)仿真軟件的開發(fā)工作量大，其中有許多重復(fù)性工作，不同點(diǎn)主要體現(xiàn)在飛機(jī)模型上的不同；小型化仿真設(shè)備的硬件接口很難做到不同項(xiàng)目的完全兼容，對(duì)不同項(xiàng)目多是要做更改，配套電纜無法兼容，且容易造成軟硬件的管理混亂。

3.2 等效仿真系統(tǒng)

等效仿真也稱之為純數(shù)學(xué)仿真，與半物理仿真相比，等效仿真的主要優(yōu)點(diǎn)是通用性強(qiáng)、仿真自動(dòng)化程度高、使用方便、易于實(shí)現(xiàn)邏輯處理和非線性環(huán)節(jié)、參數(shù)修改容易等，即用同一套計(jì)算機(jī)設(shè)備，配以不同的仿真軟件，就可以對(duì)各種不同類型的系統(tǒng)（如電氣系統(tǒng)、機(jī)械系統(tǒng)、飛控系統(tǒng)等）進(jìn)行仿真驗(yàn)證。

等效仿真是低成本、短周期研制先進(jìn)水平控制系統(tǒng)的重要環(huán)節(jié)和手段。在飛行控制系統(tǒng)研制過程中，在概念設(shè)計(jì)、初步設(shè)計(jì)和詳細(xì)設(shè)計(jì)階段，一般都要采用等效仿真。等效仿真系統(tǒng)的不足之處主要包括：采用Windows的時(shí)鐘和任務(wù)機(jī)制，不能實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)或準(zhǔn)實(shí)時(shí)仿真，PC機(jī)運(yùn)行效率低時(shí)影響控制方案的驗(yàn)證效果，有時(shí)甚至出現(xiàn)錯(cuò)誤的驗(yàn)證結(jié)果；各個(gè)模塊集成在一個(gè)程序中，代碼龐大不利于二次開發(fā)和維護(hù)；核心的仿真模型和控制模塊不便于封裝，保密性不強(qiáng)。

4 結(jié)束語

無人直升機(jī)飛控系統(tǒng)仿真技術(shù)的發(fā)展對(duì)飛控系統(tǒng)的研制起著非常重要的作用，它是無人直升機(jī)的飛控系統(tǒng)研制的重要一環(huán)，不僅可以縮短研制時(shí)間、降低成本，而且也可以為無人直升機(jī)控制律參數(shù)調(diào)整和試驗(yàn)試飛提供理論依據(jù)。

［1］王子才.仿真技術(shù)發(fā)展與應(yīng)用［J］.中國工程科學(xué)，2003，5（2）：40-45.

［2］魏瑞軒，馮博琴，胡明朗.無人直升機(jī)半物理飛行仿真試驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)［J］.飛行力學(xué)，2009，27（5）：75-78.

［3］張清江，劉磊，張劍鋒，等.某型直升機(jī)半物理仿真系統(tǒng)的設(shè)計(jì)［J］.計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制，2006，14（3）：400-403.

［4］翁史烈.基于通用平臺(tái)的系統(tǒng)建模和半物理仿真及其在艦船動(dòng)力裝置中的應(yīng)用［D］.上海：上海交通大學(xué)，2002.

V249.1

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2019.18.041

2095－6835（2019）18－0100－02

〔編輯：嚴(yán)麗琴〕