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從系統(tǒng)模塊開發(fā)設(shè)計到仿真,都在這里了!

發(fā)布時間:2016-03-07 責(zé)任編輯:wenwei

【導(dǎo)讀】在開發(fā)的早期階段,開發(fā)一個硬件在環(huán)(HIL)測試環(huán)境來測試無人機(jī)GNC解決方案,HIL測試環(huán)境是軟件仿真和飛機(jī)實驗的一個中間步驟,對于無人機(jī)GNC軟件的開發(fā)過程非常關(guān)鍵。
 
 
在開發(fā)的早期階段,開發(fā)一個硬件在環(huán)(HIL)測試環(huán)境來測試無人機(jī)GNC解決方案。HIL測試環(huán)境是軟件仿真和飛機(jī)實驗的一個中間步驟,對于無人機(jī)GNC軟件的開發(fā)過程非常關(guān)鍵。通過HIL環(huán)境,工程師可以在一個可控的仿真環(huán)境中對無人機(jī)軟件進(jìn)行測試。同時,它也能加速設(shè)計,縮短開發(fā)周期,通過HIL環(huán)境,工程師可以發(fā)覺軟件仿真(主要是同步和定時)中沒有出現(xiàn)的問題,從而避免現(xiàn)場試驗的故障,并增加無人機(jī)團(tuán)隊的安全性。開發(fā)了一個通用的HIL平臺來設(shè)計驗證控制和導(dǎo)航算法。這個HIL測試環(huán)境完全集成在一個基于模型的設(shè)計開發(fā)周期中(見圖1)。
 
從系統(tǒng)模塊開發(fā)設(shè)計到仿真,都在這里了!
圖1 : HWIL測試環(huán)境示意圖
 
 
基于模型的開發(fā)
 
首先我們設(shè)計編改了無人機(jī)平臺,將其用于仿真,并將控制器和算法部署至硬件中。根據(jù)基于模型的設(shè)計理念來完成這個任務(wù)。對于系統(tǒng)設(shè)計和仿真來說這是一個可靠方便的方法。使用代碼自動生成工具可以使我們減少設(shè)計時間,輕松完成對于測試架構(gòu)的重復(fù)利用,以及快速系統(tǒng)原型,從而形成一個連續(xù)的確認(rèn)和驗證過程。
 
構(gòu)架的目的包括:在不同的硬件平臺上不用任何改變即可對模型重復(fù)利用;對設(shè)計測試套件模型進(jìn)行重復(fù)使用以驗證目標(biāo)系統(tǒng);將透明模型完全集成到目標(biāo)硬件中,并創(chuàng)建一個系統(tǒng)的,快速的流程,將自動生成的代碼集成到目標(biāo)硬件,從而使得控制工程師無需軟件工程師的參與,即可以快速測試模型(見圖2)。對于這個項目,使用Simulink®公司的MathWorks軟件(我們還使用了Esterel Technologies公司的SCADE套件)開發(fā)了模型任務(wù),并使用MathWorks和Real-Time Workshop®公司的軟件實現(xiàn)自動編碼。需要兩次不同的編改:在無人機(jī)中進(jìn)行測試及執(zhí)行的算法是由ANSI C代碼編寫的,仿真無人機(jī)動態(tài)行為的數(shù)學(xué)模型將通過LabVIEW仿真接口工具包轉(zhuǎn)換至NI LabVIEW軟件動態(tài)庫中。
 
從系統(tǒng)模塊開發(fā)設(shè)計到仿真,都在這里了!
圖2: 基于模型的開發(fā)流程
 
在最終的系統(tǒng)中,我們使用多個LabVIEW IO模塊來仿真一些無人機(jī)航空電子和邏輯傳感器以及激勵器接口。
 
LabVIEW Real-Time PXI
 
PXI 是一個基于PC的平臺,可用于測試,測量和控制,能夠在不同的接口和總線中提供高帶寬和超低的執(zhí)行延時。在這個案例中,PXI需要在一個復(fù)雜的無人機(jī)模型中運(yùn)行,該模型會在實時中以動態(tài)庫的形式被執(zhí)行。 在系統(tǒng)中使用PXI模塊能讓我們使用無人機(jī)上完全一樣的接口進(jìn)行HIL仿真。所以,我們會以現(xiàn)場實驗完全相同的配置驗證GNC算法處理單元。這對于一些使用純仿真不足以捕捉所有硬件相關(guān)問題(例如信號噪音,錯誤和同步問題)的系統(tǒng)來說是十分重要的。通過Spirent GSS8000 GPS仿真器,我們能夠仿真并生成用戶選擇的GNSS星座衛(wèi)星所發(fā)出的相同的射頻信號。這些信號會以飛行實驗相同的方式傳送到無人機(jī)上真實的GPS傳感器,并能仿真慣性傳感器(加速度計和回轉(zhuǎn)儀)。可以指定不同的情況,降級信號,指定天線模式及模擬IMU傳感器錯誤。
 
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圖3:實驗中使用的基于CB5000 RC直升機(jī)改裝而成的無人機(jī)
 
板載處理單元
 
在實時操作系統(tǒng)(QNX或VxWorks)中運(yùn)行一個PC104單元,操作系統(tǒng)中包含了算法和控制策略,用于測試自動代碼生成工具和集成架構(gòu)創(chuàng)建的代碼的完成。我們在現(xiàn)場實驗的真實無人機(jī)中也使用了相同的單元。我們可以使用Simulink External Mode軟件對無人機(jī)進(jìn)行調(diào)試。通過這個軟件,我們可以監(jiān)測用戶需要實時知曉的信號值。此外我們可以改變嵌入式處理單元中所執(zhí)行算法的參數(shù)。在操作中所使用的界面,與控制工程師在仿真設(shè)計算法時所使用的界面完全一樣。由此,整個測試環(huán)境完全透明,而且能以同現(xiàn)場測試一樣的方式進(jìn)行HIL測試,從而大幅減少開發(fā)時間。
 
對比飛行遙測和使用同樣的GNC算法的HIL仿真,可以表明HIL的精準(zhǔn)性和與真實測試結(jié)果的相似性。在一架改裝過的無線電控制的直升飛機(jī)上集成了幾個傳感器(加速度計,回轉(zhuǎn)儀,磁力計,GPS和一個高度計)和一個處理單元(見圖3),將其轉(zhuǎn)變成一架無人機(jī),進(jìn)行飛行測試。無人機(jī)在沒有過沖或任何一個永久誤差的情況下,達(dá)到了水平面要求的參考值(見圖4和圖5)。HIL仿真和真實的飛行測試結(jié)果極其一致。
 
從系統(tǒng)模塊開發(fā)設(shè)計到仿真,都在這里了!
圖4:北方位置對比結(jié)果
 
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圖5: 西方位置對比結(jié)果
 
HIL環(huán)境非常適用于測試包含真實硬件的整個系統(tǒng)。使用NI PXI,我們在實時狀態(tài)下以低延時仿真了一個復(fù)雜的無人機(jī)模型,并完美模擬了航空設(shè)備界面。這個環(huán)境能檢測出軟件仿真中無法顯示的錯誤,從而避免現(xiàn)場實驗意外的發(fā)生。因為控制工程師在設(shè)計,開發(fā)和驗證過程中也會使用相同的可視化和調(diào)試工具,由此可以快速重復(fù)循環(huán),減少開發(fā)時間。



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