專利名稱：飛行機(jī)器人控制系統(tǒng)半物理仿真平臺(tái)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種飛行機(jī)器人控制系統(tǒng)的半物理仿真平臺(tái)，具體地說是一種基于軟件、硬件結(jié)構(gòu)相結(jié)合的飛行機(jī)器人仿真系統(tǒng)及其控制方法。
背景技術(shù)：
為了滿足飛行機(jī)器人在控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)和關(guān)鍵技術(shù)前期驗(yàn)證的需求，國內(nèi)外學(xué)者構(gòu)建了各種針對(duì)不同應(yīng)用的飛行機(jī)器人的軟件仿真(Software in the loopsimulation, SILS)平臺(tái)。而單一的軟件仿真平臺(tái)并不能夠滿足飛行機(jī)器人控制系統(tǒng)對(duì)控制算法、系統(tǒng)功能以及結(jié)合系統(tǒng)硬件調(diào)試和研究的需求。半物理仿真,也稱半實(shí)物、硬件在回路仿真(Hardware in the loop simulation,HILS)，在飛行機(jī)器人系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研發(fā)過程中有著極其重要的意義。尤其對(duì)于飛行機(jī)器人控制系統(tǒng)而言，具有高系統(tǒng)復(fù)雜性、多控制變量性以及由環(huán)境、天氣等因素帶來的不可預(yù)見性等特點(diǎn)。因此，針對(duì)飛行機(jī)器人控制系統(tǒng)建立的仿真環(huán)境是設(shè)計(jì)復(fù)雜控制系統(tǒng)、研究其關(guān)鍵技術(shù)、實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定控制策略以及系統(tǒng)各功能不可或缺的重要手段。飛行機(jī)器人控制半物理仿真系統(tǒng)是研究和開發(fā)飛行機(jī)器人控制系統(tǒng)過程中特有的一種仿真方法，它利用飛行機(jī)器人動(dòng)力學(xué)模型仿真計(jì)算機(jī)結(jié)合飛行機(jī)器人機(jī)載控制器實(shí)物系統(tǒng)建立半物理仿真平臺(tái)。與軟件仿真系統(tǒng)不同的是，半物理仿真系統(tǒng)將真實(shí)的飛行機(jī)器人機(jī)載控制器的軟、硬件系統(tǒng)置于仿真閉環(huán)中，對(duì)飛行機(jī)器人的全飛行過程、全飛行狀態(tài)進(jìn)行仿真，從而及時(shí)地發(fā)現(xiàn)并修改飛行機(jī)器人控制系統(tǒng)軟、硬件在真實(shí)工作環(huán)境中存在的漏洞，有效地提高控制系統(tǒng)的可靠性。目前，在相關(guān)專利收索中尚未發(fā)現(xiàn)有關(guān)飛行機(jī)器人的半物理仿真系統(tǒng)。

發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)現(xiàn)有的軟件仿真平臺(tái)存在無法實(shí)現(xiàn)對(duì)于飛行機(jī)器人的控制算法、系統(tǒng)功能以及結(jié)合系統(tǒng)硬件調(diào)試的這一技術(shù)空白，提出了飛行機(jī)器人控制系統(tǒng)的半物理仿真系統(tǒng)。本發(fā)明采用的技術(shù)方案是:一種飛行機(jī)器人控制系統(tǒng)半物理仿真平臺(tái)，包括飛行機(jī)器人飛行姿態(tài)顯示/視景顯示計(jì)算機(jī)，與飛行機(jī)器人動(dòng)力學(xué)模型仿真計(jì)算機(jī)通信連接，用于實(shí)現(xiàn)飛行機(jī)器人飛行空域、地理地形人文建筑物、障礙物和實(shí)時(shí)/虛擬天氣條件的三維模擬顯示，以及各飛行機(jī)器人的飛行姿態(tài)的三維立體顯示；飛行機(jī)器人動(dòng)力學(xué)模型仿真計(jì)算機(jī)，存有飛行機(jī)器人動(dòng)力學(xué)模型，與飛行機(jī)器人機(jī)載控制系統(tǒng)通信連接，用于根據(jù)各飛行機(jī)器人的動(dòng)力學(xué)模型實(shí)時(shí)解算并生成一系列虛擬的傳感器設(shè)備信號(hào)，實(shí)現(xiàn)飛行機(jī)器人的自主閉環(huán)控制，并完成與飛行機(jī)器人飛行姿態(tài)顯示/視景顯示計(jì)算機(jī)的通訊任務(wù)；飛行機(jī)器人機(jī)載控制系統(tǒng)，與飛行機(jī)器人動(dòng)力學(xué)模型仿真計(jì)算機(jī)，無線電遙控器和飛行機(jī)器人地面監(jiān)控計(jì)算機(jī)連接，用于完成對(duì)飛行機(jī)器人動(dòng)力學(xué)模型仿真計(jì)算機(jī)發(fā)送的虛擬傳感器設(shè)備信號(hào)的接收，將經(jīng)過控制算法計(jì)算后獲得的執(zhí)行舵機(jī)控制信號(hào)發(fā)送到機(jī)器人動(dòng)力學(xué)模型仿真計(jì)算機(jī)；無線電遙控器，與飛行機(jī)器人機(jī)載控制系統(tǒng)無線通信連接，實(shí)現(xiàn)飛行機(jī)器人飛行功能的切換，控制飛行機(jī)器人外帶的負(fù)載設(shè)備，完成不同的飛行目的及各種飛行任務(wù)；飛行機(jī)器人地面監(jiān)控計(jì)算機(jī)，與飛行機(jī)器人機(jī)載控制系統(tǒng)通訊連接；用于實(shí)現(xiàn)飛行機(jī)器人飛行狀態(tài)以及飛行機(jī)器人健康狀態(tài)的監(jiān)控，對(duì)飛行機(jī)器人飛行任務(wù)的在線管理、飛行機(jī)器人飛行模式的切換，以及結(jié)合平面地圖對(duì)飛行機(jī)器人的地理位置進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示。所述飛行機(jī)器人機(jī)載控制系統(tǒng)包括:飛行機(jī)器人機(jī)載控制器，與飛行機(jī)器人地面監(jiān)控計(jì)算機(jī)連接，根據(jù)獲得的虛擬傳感器設(shè)備信號(hào)，經(jīng)由控制算法計(jì)算出完成控制目的所需要的飛行機(jī)器人執(zhí)行舵機(jī)的控制信號(hào)；在仿真過程中，飛行機(jī)器人機(jī)載控制器可以連接執(zhí)行舵機(jī)直接驗(yàn)證控制算法根據(jù)飛行狀態(tài)自動(dòng)產(chǎn)生的控制指令動(dòng)作的正確性；飛行機(jī)器人工作狀態(tài)指示模塊，由三枚不同顏色的大功率高亮LED組成，根據(jù)飛行機(jī)器人所處的不同工作狀態(tài)和飛行機(jī)器人本體的穩(wěn)定程度，飛行機(jī)器人工作狀態(tài)指示模塊會(huì)點(diǎn)亮不同的LED組合以及閃爍方式，以此來指示和區(qū)分飛行機(jī)器人所處的不同的工作及飛行狀態(tài)；執(zhí)行舵機(jī)，接收來自飛行機(jī)器人機(jī)載控制器的控制信號(hào)，發(fā)送執(zhí)行舵機(jī)控制信號(hào)到機(jī)器人動(dòng)力學(xué)模型仿真計(jì)算機(jī)；無線接收模塊，為無線接收模塊，與無線遙控器進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)飛行機(jī)器人手動(dòng)遙控飛行的模擬，完成手動(dòng)遙控與飛行控制器自主飛行狀態(tài)的切換。

所述飛行機(jī)器人機(jī)載控制器包括:導(dǎo)航傳感器導(dǎo)航信息處理單元，控制算法處理單元，飛行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元，串口擴(kuò)展單元，和系統(tǒng)供電及開關(guān)單元；導(dǎo)航傳感器導(dǎo)航信息處理單元，將虛擬的傳感器輸出的原始數(shù)據(jù)信息，對(duì)其進(jìn)行濾波計(jì)算后將處理后的導(dǎo)航信息發(fā)送給控制算法處理單元和飛行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元；控制算法處理單元，接收經(jīng)導(dǎo)航傳感器導(dǎo)航信息處理單元處理后的導(dǎo)航信息，經(jīng)過控制算法計(jì)算后，控制算法處理單元得出達(dá)到控制目的的控制信號(hào)，并將其通過串口擴(kuò)展單元發(fā)送到執(zhí)行舵機(jī)； 飛行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元，接收來自導(dǎo)航傳感器導(dǎo)航信息處理單元和控制算法處理單元的數(shù)據(jù)；用于存儲(chǔ)原始導(dǎo)航數(shù)據(jù)、濾波處理后的導(dǎo)航數(shù)據(jù)、控制信號(hào)、飛行機(jī)器人工作狀態(tài)以及后期分析所需的數(shù)據(jù)；串口擴(kuò)展單元，通過RS-232串行通訊總線與飛行機(jī)器人地面監(jiān)控計(jì)算機(jī)和飛行機(jī)器人動(dòng)力學(xué)模型仿真計(jì)算機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)信息交換，并以ISP模式完成控制算法的寫入功倉泛;系統(tǒng)供電及開關(guān)單元，給飛行機(jī)器人機(jī)載控制器供電；所述飛行機(jī)器人機(jī)載控制系統(tǒng)與飛行機(jī)器人動(dòng)力學(xué)模型仿真計(jì)算機(jī)進(jìn)行串行通 目;所述飛行機(jī)器人機(jī)載控制系統(tǒng)是通過飛行機(jī)器人機(jī)載控制器與飛行機(jī)器人地面監(jiān)控計(jì)算機(jī)相連接并實(shí)現(xiàn)串口通信的。所述虛擬的傳感器設(shè)備信號(hào)包括:飛行機(jī)器人的GPS坐標(biāo)、飛行姿態(tài)角、三軸全局飛行加速度、三軸全局飛行速度、飛行姿態(tài)角變化率；
所述飛行機(jī)器人飛行功能為飛行機(jī)器人航跡點(diǎn)飛行、圓周飛行、蛇形飛行、懸停、返航功能；所述飛行機(jī)器人飛行狀態(tài)為飛行機(jī)器人手動(dòng)飛行、半自動(dòng)飛行、自主飛行；所述飛行機(jī)器人飛行姿態(tài)顯示/視景顯示計(jì)算機(jī)與飛行機(jī)器人動(dòng)力學(xué)模型仿真計(jì)算機(jī)以TCP/IP網(wǎng)絡(luò)通訊協(xié)議進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通信；可以配置成多飛行機(jī)器人顯示模式，完成多飛行機(jī)器人多飛行任務(wù)的顯示；同時(shí)，可以根據(jù)不同任務(wù)及顯示要求，自主定制顯示視角，實(shí)現(xiàn)任務(wù)完成狀況的跟蹤監(jiān)測。所述飛行機(jī)器人地面監(jiān)控計(jì)算機(jī)與飛行機(jī)器人機(jī)載控制系統(tǒng)的通訊還可以采用無線方式。所述飛行機(jī)器人半物理仿真平臺(tái)中，飛行機(jī)器人動(dòng)力學(xué)模型仿真計(jì)算機(jī)和飛行機(jī)器人機(jī)載控制器系統(tǒng)可以同時(shí)使用多套，通過飛行機(jī)器人地面監(jiān)控計(jì)算機(jī)，實(shí)現(xiàn)飛行航跡、飛行狀態(tài)的交互，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)多飛行機(jī)器人的編隊(duì)和多任務(wù)的執(zhí)行。所述飛行機(jī)器人執(zhí)行舵機(jī)可以為多個(gè)；一種飛行機(jī)器人控制系統(tǒng)半物理仿真方法，包括以下步驟:初始化飛行環(huán)境及顯示視角；飛行機(jī)器人機(jī)載控制器控制算法加載；開始仿真；飛行機(jī)器人動(dòng)力學(xué)模型仿真計(jì)算機(jī)解算傳感器信息，形成報(bào)文，串口輸出到飛行機(jī)器人機(jī)載控制系統(tǒng)；飛行機(jī)器人機(jī)載控制器計(jì)算執(zhí)行舵機(jī)控制信號(hào)，形成報(bào)文，串口輸出，發(fā)送給飛行機(jī)器人動(dòng)力學(xué)模型仿真計(jì)算機(jī)，進(jìn)行下一步迭代計(jì)算；并通過飛行機(jī)器人飛行姿態(tài)顯示/視景顯示計(jì)算機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示；同時(shí)，計(jì)算所得的執(zhí)行舵機(jī)控制信號(hào)將以模擬量形式發(fā)送給執(zhí)行舵機(jī)進(jìn)行控制；飛行機(jī)器人動(dòng)力學(xué)模型仿真計(jì)算機(jī)迭代計(jì)算后進(jìn)行步驟4。本發(fā)明具有以下有益效果及優(yōu)點(diǎn):1.與單純的飛行機(jī)器人軟件仿真平臺(tái)不同，飛行機(jī)器人控制系統(tǒng)半物理仿真平臺(tái)可以同時(shí)對(duì)飛行機(jī)器人的軟件、硬件系統(tǒng)和控制算法進(jìn)行聯(lián)機(jī)調(diào)試，最大程度的接近飛行機(jī)器人工作的實(shí)際工作狀態(tài)；2.仿真實(shí)驗(yàn)可以通過飛行機(jī)器人機(jī)載控制系統(tǒng)中的執(zhí)行舵機(jī)直接地驗(yàn)證控制信號(hào)的正確性；3.飛行機(jī)器人飛行姿態(tài)顯示/視景顯示計(jì)算機(jī)的三維顯示也可以輔助地驗(yàn)證飛行機(jī)器人的工作狀態(tài)及控制信號(hào)的正確性；4.具有較強(qiáng)的通用性和較強(qiáng)的系統(tǒng)性，并且本發(fā)明的可操作性、展示性均較強(qiáng)，簡便地應(yīng)用于各種飛行機(jī)器人的半物理仿真實(shí)驗(yàn)中，避免系統(tǒng)的重復(fù)設(shè)計(jì)，同時(shí)大大簡化了系統(tǒng)新功能擴(kuò)展的測試工作。


圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)框圖；圖2為本發(fā)明中飛行機(jī)器人機(jī)載控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖；圖3為本發(fā)明中飛行機(jī)器人機(jī)載控制器結(jié)構(gòu)框圖4為本發(fā)明中飛行機(jī)器人地面監(jiān)控計(jì)算機(jī)與飛行機(jī)器人機(jī)載控制系統(tǒng)無線通訊框圖；圖5為本發(fā)明飛行機(jī)器人控制系統(tǒng)半物理仿真方法步驟示意圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式
加以說明。通過對(duì)加速度計(jì)、陀螺等傳感器信息的模擬并形成數(shù)據(jù)包發(fā)送給飛行機(jī)器人機(jī)載控制器3-1，經(jīng)控制算法后產(chǎn)生實(shí)現(xiàn)功能、完成飛行任務(wù)的控制量，形成數(shù)據(jù)包發(fā)送給飛行機(jī)器人動(dòng)力學(xué)模型，產(chǎn)生相對(duì)應(yīng)的控制效果，并使用飛行機(jī)器人飛行姿態(tài)顯示/視景顯示計(jì)算機(jī)I實(shí)現(xiàn)飛行機(jī)器人及其飛行環(huán)境的三維顯示，進(jìn)而完成飛行機(jī)器人飛行控制系統(tǒng)的控制算法設(shè)計(jì)和方針驗(yàn)證；同時(shí)可以將飛行機(jī)器人執(zhí)行舵機(jī)3-3與飛行機(jī)器人機(jī)載控制器3-1相連，從而直觀地驗(yàn)證控制算法所產(chǎn)生的控制信號(hào)以及執(zhí)行舵機(jī)響應(yīng)動(dòng)作的正確性。如圖1所示，本發(fā)明飛行機(jī)器人控制系統(tǒng)半物理仿真平臺(tái)包括:飛行機(jī)器人飛行姿態(tài)顯示/視景顯示計(jì)算機(jī)1、飛行機(jī)器人動(dòng)力學(xué)模型仿真計(jì)算機(jī)2、飛行機(jī)器人機(jī)載控制系統(tǒng)3、無線電遙控器4、和飛行機(jī)器人地面監(jiān)控計(jì)算機(jī)5。飛行機(jī)器人動(dòng)力學(xué)模型仿真計(jì)算機(jī)2通過網(wǎng)絡(luò)適配器與飛行機(jī)器人飛行姿態(tài)顯示/視景顯示計(jì)算機(jī)相連；飛行機(jī)器人動(dòng)力學(xué)模型仿真計(jì)算機(jī)2通過RS-232串口與飛行機(jī)器人機(jī)載控制系統(tǒng)3RS-232串口相連，發(fā)送通過飛行機(jī)器人動(dòng)力學(xué)模型解算出的傳感器信息；飛行機(jī)器人動(dòng)力學(xué)模型仿真計(jì)算機(jī)2通過RS-232串口與飛行機(jī)器人機(jī)載控制系統(tǒng)3RS-232串口相連，接收由飛行機(jī)器人機(jī)載控制系統(tǒng)3發(fā)出的執(zhí)行舵機(jī)3-3控制信號(hào)；飛行機(jī)器人機(jī)載控制系統(tǒng)3通過2.4GHz無線電信號(hào)與無線電遙控器4通信；飛行機(jī)器人機(jī)載控制系統(tǒng)3與飛行機(jī)器人地面監(jiān)控計(jì)算機(jī)5通過RS-232串口相連。飛行機(jī)器人飛行姿態(tài)顯示/視景顯示計(jì)算機(jī)1，采用聯(lián)想(Lenovo)啟天M7150型計(jì)算機(jī)，進(jìn)行三維實(shí)時(shí)顯示。飛行機(jī)器人飛行姿態(tài)顯示/視景顯示計(jì)算通過TCP/IP網(wǎng)絡(luò)通訊協(xié)議與飛行機(jī)器人動(dòng)力學(xué)模型仿真計(jì)算機(jī)2進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通訊，獲取計(jì)算得出的飛行機(jī)器人的GPS坐標(biāo)和飛行姿態(tài)角(滾轉(zhuǎn)角、俯仰角和偏航角)傳送給Flightgear仿真軟件,實(shí)現(xiàn)飛行機(jī)器人的飛行狀態(tài)及飛行環(huán)境的三維顯示。飛行機(jī)器人動(dòng)力學(xué)模型仿真計(jì)算機(jī)2，采用聯(lián)想(Lenovo)啟天M7150型計(jì)算機(jī)，并附加安裝一塊帝特PCI高速串行通訊卡。在Matlab/Simulink環(huán)境中通過對(duì)飛行機(jī)器人動(dòng)力學(xué)模型的迭代計(jì)算實(shí)現(xiàn)傳感器信息(行機(jī)器人的GPS坐標(biāo)、飛行姿態(tài)角、三軸全局飛行加速度、三軸全局飛行速度、飛行姿態(tài)角變化率)的模擬，并形成數(shù)據(jù)通信報(bào)文，通過串口將生成的傳感器信息發(fā)送給飛行機(jī)器人機(jī)載控制器3-1 ;同時(shí)，飛行機(jī)器人動(dòng)力學(xué)模型仿真計(jì)算機(jī)2通過串口接收飛行機(jī)器人機(jī)載控制器3-1發(fā)出的執(zhí)行舵機(jī)3-3的控制信號(hào)報(bào)文，解析后進(jìn)入飛行機(jī)器人動(dòng)力學(xué)模型計(jì)算，完成對(duì)飛行機(jī)器人的閉環(huán)控制。如圖2所示，飛行機(jī)器人機(jī)載控制系統(tǒng)3，還包括飛行機(jī)器人機(jī)載控制器3-1、飛行機(jī)器人工作狀態(tài)指示模塊3-2和執(zhí)行舵機(jī)3-3。飛行機(jī)器人機(jī)載控制器3-1采用雙ARM核心處理器，結(jié)合復(fù)雜可編程序邏輯處理器(CPLD)實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航傳感器信號(hào)、無線電遙控器4信號(hào)的A/D、D/A轉(zhuǎn)換，采樣。配合可擴(kuò)展外部接口，如串行通訊口、SD卡讀寫口，完成原始導(dǎo)航數(shù)據(jù)的濾波、控制算法的執(zhí)行、與飛行機(jī)器人動(dòng)力學(xué)模型仿真計(jì)算機(jī)2的串口通訊以及關(guān)鍵飛行數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)。飛行機(jī)器人工作狀態(tài)指示模塊3-2由三枚不同顏色的大功率高亮LED組成，根據(jù)飛行機(jī)器人所處的不同工作狀態(tài)和飛行機(jī)器人本體的穩(wěn)定程度，飛行機(jī)器人工作狀態(tài)指示模塊3-2會(huì)點(diǎn)亮不同的LED組合以及閃爍方式，以此來指示和區(qū)分飛行機(jī)器人所處的不同的工作及飛行狀態(tài)。執(zhí)行舵機(jī)3-3接收飛行機(jī)器人機(jī)載控制器3-1的控制信號(hào)，驅(qū)動(dòng)舵機(jī)實(shí)現(xiàn)飛行機(jī)器人的動(dòng)作。無線電遙控器4，采用專業(yè)級(jí)航模無線電遙控器JR PROPO DSX12X，以2.4GHz信道通信，輔以12路控制通道及功能按鈕，可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜飛行機(jī)器人外帶負(fù)載設(shè)備的控制。同時(shí)可以存儲(chǔ)50個(gè)遙控器配置模型，方便遙控器與接收機(jī)的對(duì)頻。飛行機(jī)器人地面監(jiān)控計(jì)算機(jī)5，采用研華ARK-3420工控機(jī)，裝有上下兩臺(tái)顯示器，配有左右兩只工業(yè)級(jí)四軸三鍵遙控桿，內(nèi)置電源UPS設(shè)計(jì)，有斷電及過載保護(hù)在使用中斷點(diǎn)，不影響用戶操作。在使用中出現(xiàn)過載，重新啟動(dòng)電源后系統(tǒng)正常工作。通過串行通訊口與飛行機(jī)器人機(jī)載控制實(shí)現(xiàn)飛行機(jī)器人飛行姿態(tài)、飛行速度、飛行加速度以及飛行機(jī)器人健康狀態(tài)的監(jiān)控。同時(shí)通過飛行機(jī)器人地面監(jiān)控計(jì)算機(jī)5實(shí)現(xiàn)對(duì)飛行機(jī)器人飛行任務(wù)的在線管理、飛行機(jī)器人飛行模式的切換，以及結(jié)合平面地圖對(duì)飛行機(jī)器人的地理位置進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示。飛行機(jī)器人地面監(jiān)控計(jì)算機(jī)5與飛行機(jī)器人機(jī)載控制系統(tǒng)3的通訊還可以采用無線方式。如圖4所示，采用Freewave出產(chǎn)的900MHz無線數(shù)據(jù)傳輸模塊代替串行通信。這一方式提供了測試飛行機(jī)器人在超視距飛行任務(wù)中飛行機(jī)器人地面監(jiān)控計(jì)算機(jī)5與飛行機(jī)器人機(jī)載控制系統(tǒng)3的通訊能力的方法，保障了飛行任務(wù)的完全完成。便于對(duì)飛行機(jī)器人在完成超視距任務(wù)時(shí)的前期測試和在線監(jiān)測。如圖5所示，本發(fā)明飛行機(jī)器人控制系統(tǒng)半物理仿真平臺(tái)的仿真方法包括以下步驟:1.初始化飛行環(huán)境及顯示視角；2.飛行機(jī)器人機(jī)載控制器控制算法加載；3.開始仿真；4.飛行機(jī)器人動(dòng)力學(xué)模型仿真計(jì)算機(jī)解算傳感器信息，形成報(bào)文，串口輸出到飛行機(jī)器人機(jī)載控制系統(tǒng)；5.飛行機(jī)器人機(jī)載控制器計(jì)算執(zhí)行舵機(jī)控制信號(hào)，形成報(bào)文，串口輸出，發(fā)送給飛行機(jī)器人動(dòng)力學(xué)模型仿真計(jì)算機(jī)，進(jìn)行下一步迭代計(jì)算；并通過飛行機(jī)器人飛行姿態(tài)顯示/視景顯示計(jì)算機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示；同時(shí)，計(jì)算所得的執(zhí)行舵機(jī)控制信號(hào)將以模擬量形式發(fā)送給執(zhí)行舵機(jī)進(jìn)行控制；6.飛行機(jī)器人動(dòng)力學(xué)模型仿真計(jì)算機(jī)迭代計(jì)算后進(jìn)行步驟4。
權(quán)利要求
1.一種飛行機(jī)器人控制系統(tǒng)半物理仿真平臺(tái)，其特征在于:包括 飛行機(jī)器人飛行姿態(tài)顯示/視景顯示計(jì)算機(jī)(I)，與飛行機(jī)器人動(dòng)力學(xué)模型仿真計(jì)算機(jī)(2)通信連接，用于實(shí)現(xiàn)飛行機(jī)器人飛行空域、地理地形人文建筑物、障礙物和實(shí)時(shí)/虛擬天氣條件的三維模擬顯示，以及各飛行機(jī)器人的飛行姿態(tài)的三維立體顯示； 飛行機(jī)器人動(dòng)力學(xué)模型仿真計(jì)算機(jī)(2)，存有飛行機(jī)器人動(dòng)力學(xué)模型，與飛行機(jī)器人機(jī)載控制系統(tǒng)(3)通信連接，用于根據(jù)各飛行機(jī)器人的動(dòng)力學(xué)模型實(shí)時(shí)解算并生成一系列虛擬的傳感器設(shè)備信號(hào)，實(shí)現(xiàn)飛行機(jī)器人的自主閉環(huán)控制，并完成與飛行機(jī)器人飛行姿態(tài)顯示/視景顯示計(jì)算機(jī)(I)的通訊任務(wù)； 飛行機(jī)器人機(jī)載控制系統(tǒng)(3)，與飛行機(jī)器人動(dòng)力學(xué)模型仿真計(jì)算機(jī)(2)，無線電遙控器(4)和飛行機(jī)器人地面監(jiān)控計(jì)算機(jī)(5)連接，用于完成對(duì)飛行機(jī)器人動(dòng)力學(xué)模型仿真計(jì)算機(jī)(2)發(fā)送的虛擬傳感器設(shè)備信號(hào)的接收，將經(jīng)過控制算法計(jì)算后獲得的執(zhí)行舵機(jī)控制信號(hào)發(fā)送到機(jī)器人動(dòng)力學(xué)模型仿真計(jì)算機(jī)(2); 無線電遙控器(4)，通過無線接收模塊(3-4)與飛行機(jī)器人機(jī)載控制系統(tǒng)(3)無線通信連接，實(shí)現(xiàn)飛行機(jī)器人飛行功能的切換，控制飛行機(jī)器人外帶的負(fù)載設(shè)備，完成不同的飛行目的及各種飛行任務(wù)； 飛行機(jī)器人地面監(jiān)控計(jì)算機(jī)(5)，與飛行機(jī)器人機(jī)載控制系統(tǒng)(3)通訊連接；用于實(shí)現(xiàn)飛行機(jī)器人飛行狀態(tài)以及飛行機(jī)器人健康狀態(tài)的監(jiān)控，對(duì)飛行機(jī)器人飛行任務(wù)的在線管理、飛行機(jī)器人飛行模式的切換，以及結(jié)合平面地圖對(duì)飛行機(jī)器人的地理位置進(jìn)行實(shí)時(shí)顯/Jn ο
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的飛行機(jī)器人控制系統(tǒng)半物理仿真平臺(tái)，其特征在于:所述飛行機(jī)器人機(jī)載控制系統(tǒng)(3)包括: 飛行機(jī)器人機(jī)載控制器(3-1)，與飛行機(jī)器人地面監(jiān)控計(jì)算機(jī)(5)連接，根據(jù)獲得的虛擬傳感器設(shè)備信號(hào)，經(jīng)由控制算法計(jì)算出完成控制目的所需要的飛行機(jī)器人執(zhí)行舵機(jī)(3-3)的控制信號(hào)；在仿真過程中，飛行機(jī)器人機(jī)載控制器(3-1)可以連接執(zhí)行舵機(jī)(3-3)直接驗(yàn)證控制算法根據(jù)飛行狀態(tài)自動(dòng)產(chǎn)生的控制指令動(dòng)作的正確性； 飛行機(jī)器人工作狀態(tài)指示模塊(3-2)，由三枚不同顏色的大功率高亮LED組成，根據(jù)飛行機(jī)器人所處的不同工作狀態(tài)和飛行機(jī)器人本體的穩(wěn)定程度，飛行機(jī)器人工作狀態(tài)指示模塊(3-2)會(huì)點(diǎn)亮不同的LED組合以及閃爍方式，以此來指示和區(qū)分飛行機(jī)器人所處的不同的工作及飛行狀態(tài)； 執(zhí)行舵機(jī)(3-3)，接收來自飛行機(jī)器人機(jī)載控制器(3-1)的控制信號(hào)，發(fā)送執(zhí)行舵機(jī)控制信號(hào)到機(jī)器人動(dòng)力學(xué)模型仿真計(jì)算機(jī)(2); 無線接收模塊(3-4)，為無線接收模塊，與無線電遙控器(4)進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)飛行機(jī)器人手動(dòng)遙控飛行的模擬，完成手動(dòng)遙控與飛行控制器自主飛行狀態(tài)的切換。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的飛行機(jī)器人控制系統(tǒng)半物理仿真平臺(tái)，其特征在于:所述飛行機(jī)器人機(jī)載控制器(3-1)包括:導(dǎo)航傳感器導(dǎo)航信息處理單元(3-1-1)，控制算法處理單元(3-1-2)，飛行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元(3-1-3)，串口擴(kuò)展單元(3-1-4)，和系統(tǒng)供電及開關(guān)單元(3-1-5)； 導(dǎo)航傳感器導(dǎo)航信息處理單元(3-1-1)，將虛擬的傳感器輸出的原始數(shù)據(jù)信息，對(duì)其進(jìn)行濾波計(jì)算后將處理后的導(dǎo)航信息發(fā)送給控制算法處理單元(3-1-2)和飛行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元(3-1-3)； 控制算法處理單元(3-1-2)，接收經(jīng)導(dǎo)航傳感器導(dǎo)航信息處理單元(3-1-1)處理后的導(dǎo)航信息，經(jīng)過控制算法計(jì)算后，控制算法處理單元(3-1-2)得出達(dá)到控制目的的控制信號(hào)，并將其通過串口擴(kuò)展單元(3-1-4)發(fā)送到執(zhí)行舵機(jī)(3-1-3)； 飛行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元(3-1-3)，接收來自導(dǎo)航傳感器導(dǎo)航信息處理單元(3-1-1)和控制算法處理單元(3-1-2)的數(shù)據(jù)；用于存儲(chǔ)原始導(dǎo)航數(shù)據(jù)、濾波處理后的導(dǎo)航數(shù)據(jù)、控制信號(hào)、飛行機(jī)器人工作狀態(tài)以及后期分析所需的數(shù)據(jù)； 串口擴(kuò)展單元(3-1-4)，通過RS-232串行通訊總線與飛行機(jī)器人地面監(jiān)控計(jì)算機(jī)(5)和飛行機(jī)器人動(dòng)力學(xué)模型仿真計(jì)算機(jī)(2)進(jìn)行實(shí)時(shí)信息交換，并以ISP模式完成控制算法的與入功能； 系統(tǒng)供電及開關(guān)單元(3-1-5)，給飛行機(jī)器人機(jī)載控制器(3-1)供電。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的飛行機(jī)器人控制系統(tǒng)半物理仿真平臺(tái)，其特征在于:所述飛行機(jī)器人機(jī)載控制系統(tǒng)(3)與飛行機(jī)器人動(dòng)力學(xué)模型仿真計(jì)算機(jī)(2)進(jìn)行串行通信； 所述飛行機(jī)器人機(jī)載控制系統(tǒng)(3)是通過飛行機(jī)器人機(jī)載控制器(3-1)與飛行機(jī)器人地面監(jiān)控計(jì)算機(jī)(5)相連接并實(shí)現(xiàn)串口通信的。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的飛行機(jī)器人控制系統(tǒng)半物理仿真平臺(tái)，其特征在于:所述虛擬的傳感器設(shè)備信號(hào)包括:飛行機(jī)器人的GPS坐標(biāo)、飛行姿態(tài)角、三軸全局飛行加速度、三軸全局飛行速度、飛行姿態(tài)角變化率； 所述飛行機(jī)器人飛行功能為飛行機(jī)器人航跡點(diǎn)飛行、圓周飛行、蛇形飛行、懸停、返航功能； 所述飛行機(jī)器人飛行狀態(tài)為飛行機(jī)器人手動(dòng)飛行、半自動(dòng)飛行、自主飛行。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的飛行機(jī)器人控制系統(tǒng)半物理仿真平臺(tái)，其特征在于:所述飛行機(jī)器人飛行姿態(tài)顯示/視景顯示計(jì)算機(jī)(I)與飛行機(jī)器人動(dòng)力學(xué)模型仿真計(jì)算機(jī)(2)以TCP/IP網(wǎng)絡(luò)通訊協(xié)議進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通信；可以配置成多飛行機(jī)器人顯示模式，完成多飛行機(jī)器人多飛行任務(wù)的顯示；同時(shí)，可以根據(jù)不同任務(wù)及顯示要求，自主定制顯示視角，實(shí)現(xiàn)任務(wù)完成狀況的跟蹤監(jiān)測。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的飛行機(jī)器人控制系統(tǒng)半物理仿真平臺(tái)，其特征在于:所述飛行機(jī)器人地面監(jiān)控計(jì)算機(jī)(5)與飛行機(jī)器人機(jī)載控制系統(tǒng)(3)的通訊還可以采用無線方式。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的飛行機(jī)器人控制系統(tǒng)半物理仿真平臺(tái)，其特征在于:所述飛行機(jī)器人半物理仿真平臺(tái)中，飛行機(jī)器人動(dòng)力學(xué)模型仿真計(jì)算機(jī)(2)和飛行機(jī)器人機(jī)載控制器系統(tǒng)可以同時(shí)使用多套，通過飛行機(jī)器人地面監(jiān)控計(jì)算機(jī)(5)，實(shí)現(xiàn)飛行航跡、飛行狀態(tài)的交互，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)多飛行機(jī)器人的編隊(duì)和多任務(wù)的執(zhí)行。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的飛行機(jī)器人控制系統(tǒng)半物理仿真平臺(tái)，其特征在于:所述飛行機(jī)器人執(zhí)行舵機(jī)(3-3)可以為多個(gè)。
10.一種飛行機(jī)器人控制系統(tǒng)半物理仿真方法，其特征在于，包括以下步驟: 初始化飛行環(huán)境及顯示視角； 飛行機(jī)器人機(jī)載控制器(3-1)控制算法加載； 開始仿真；飛行機(jī)器人動(dòng)力學(xué)模型仿真計(jì)算機(jī)(2)解算傳感器信息，形成報(bào)文，串口輸出到飛行機(jī)器人機(jī)載控制系統(tǒng)(3)； 飛行機(jī)器人機(jī)載控制器(3-1)計(jì)算執(zhí)行舵機(jī)控制信號(hào)，形成報(bào)文，串口輸出，發(fā)送給飛行機(jī)器人動(dòng)力學(xué)模型仿真計(jì)算機(jī)(2)，進(jìn)行下一步迭代計(jì)算；并通過飛行機(jī)器人飛行姿態(tài)顯示/視景顯示計(jì)算機(jī)(I)進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示；同時(shí)，計(jì)算所得的執(zhí)行舵機(jī)控制信號(hào)將以模擬量形式發(fā)送給執(zhí)行舵機(jī)(3-3)進(jìn)行控制； 飛行機(jī)器人動(dòng)力 學(xué)模型仿真計(jì)算機(jī)(2)迭代計(jì)算后進(jìn)行步驟4。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種飛行機(jī)器人控制系統(tǒng)半物理仿真平臺(tái)，包括飛行機(jī)器人飛行姿態(tài)顯示/視景顯示計(jì)算機(jī)，飛行機(jī)器人動(dòng)力學(xué)模型仿真計(jì)算機(jī)，飛行機(jī)器人機(jī)載控制系統(tǒng)，無線電遙控器和飛行機(jī)器人地面監(jiān)控計(jì)算機(jī)。飛行機(jī)器人控制系統(tǒng)半物理仿真平臺(tái)可以同時(shí)對(duì)飛行機(jī)器人的軟件、硬件系統(tǒng)和控制算法進(jìn)行聯(lián)機(jī)調(diào)試，最大程度的接近飛行機(jī)器人工作的實(shí)際工作狀態(tài)；并且仿真實(shí)驗(yàn)可以通過飛行機(jī)器人機(jī)載控制系統(tǒng)中的執(zhí)行舵機(jī)直接地驗(yàn)證控制信號(hào)的正確性；飛行機(jī)器人飛行姿態(tài)顯示/視景顯示計(jì)算機(jī)的三維顯示也可以輔助地驗(yàn)證飛行機(jī)器人的工作狀態(tài)及控制信號(hào)的正確性；本發(fā)明具有較強(qiáng)的通用性和較強(qiáng)的系統(tǒng)性，并且本發(fā)明的可操作性、展示性均較強(qiáng)，簡便地應(yīng)用于各種飛行機(jī)器人的半物理仿真實(shí)驗(yàn)中，避免系統(tǒng)的重復(fù)設(shè)計(jì)，同時(shí)大大簡化了系統(tǒng)新功能擴(kuò)展的測試工作。
文檔編號(hào)G05B17/02GK103149846SQ20111040186
公開日2013年6月12日 申請(qǐng)日期2011年12月6日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月6日
發(fā)明者韓建達(dá), 齊俊桐, 吳鎮(zhèn)煒, 宋大雷, 王子銘 申請(qǐng)人:中國科學(xué)院沈陽自動(dòng)化研究所