CN102566441A - 用于无人机的可视仿真试验*** - Google Patents

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余长贵
王毅
易军
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Abstract

本发明提出一种用于无人机的可视仿真试验***，旨在提供一种可变视角，可缩放，细节清楚，显示参数直观，并能可靠地进行仿真试验的可视仿真试验***。本发明通过下述技术方案予以实现：包括，实时三维成像计算机***，柱形屏幕成像***，仿真器之间通过以太网相连并同时分别连接综合控制柜的视景显示设备、惯导/GPS/磁力计仿真器、陀螺仿真器、地检仿真器、遥控遥测仿真器，以及经以太网路由器电连接的无人机数学模型仿真器和通过所述数学模型仿真器电连接上述综合控制柜的大气机/无高表仿真器、总静压模拟器(ADC)、无线电回波模拟器(RA)组成的仿真***。各仿真器和各传感器通过各自的电气接口，将信号经控制柜发往飞控计算机，实时显示无人机三维模型及其飞行数据。

Description

用于无人机的可视仿真试验***
技术领域
本发明是关于用于无人机的可视仿真试验***，尤其是关于自主起降式无人驾驶无人机地面仿真试验时的视觉显示***。 
背景技术
在飞行仿真试验***中，视景显示***是模拟结果的输出途径之一，对于有人驾驶无人机来说，所显示的图像一般是模拟驾驶员在空中看到的图像来进行的。但对于无人驾驶无人机来说，不必局限于此，一般要求有多个视角，能够观察无人机的整体飞行情况和细部组件的状态，如减速板、起落架等。 
现有的仿真试验***中，视景显示***的缺点主要有： 
a)    只能显示无人机大体情况，不能够缩放或显示细节；
b)    数据传输速率低，容易出现图像跳变或丢帧；
c)    只能作为显示使用，无法记录和回放数据；
d)    传统的用于有人机的视景***，视角局限于飞行员座舱视角，不能改变；
本发明基于现有技术的进一步改进和发展。
发明内容： 
本发明的目的在于克服上述现有技术的不足之处，提供一种可变视角，可缩放，细节清楚，显示参数直观，能可靠地用于仿真试验的无人机地面可视仿真试验***。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是，一种用于无人机的可视仿真试验***，包括，实时三维成像计算机***，柱形屏幕成像***和与飞控计算机相连的综合控制柜，其特征在于：它还包括，仿真器之间通过以太网相连并同时分别连接综合控制柜的视景显示设备、惯导/GPS/磁力计仿真器、陀螺仿真器、地检仿真器、遥控遥测仿真器，以及经以太网路由器电连接的数学模型及大气环境仿真器（无人机数学模型仿真器）和通过所述数学模型仿真器电连接上述综合控制柜的大气机/无高表仿真器、总静压模拟器(ADC)、无线电回波模拟器(RA)的仿真***，其中，将飞控计算机舵面控制指令作为舵面偏转角度的无人机数学模型仿真器，除进行实时全量非线性方程的解算外，还将计算结果发往惯导/GPS/磁力计仿真器、陀螺仿真器、大气机/无高表仿真器和各传感器，通过各自的电气接口将信号经上述综合控制柜发往飞控计算机，实时显示出无人机各***状态和数据，将无人机的三维模型和重要飞行数据实时显示在视景显示设备上。 
本发明相比于现有技术具有如下有益效果： 
视景***与无人机数学模型及大气环境仿真器通过千兆以太网连接，传输速率较高（解算速率可达0.8ms，已超出人眼能够分辨的闪烁频率），图像不易出现丢帧，而如果出现丢帧，由于在显示三维模型时采用插值处理技术（若有丢帧，则将前一帧和后一帧的数据进行加权平均后，作为丢失帧输出），图像也不会产生人眼能够觉察到的跳变；
视景***通过以太网（TCP/IP协议20ms/帧）实时接收由无人机数学模型及大气环境仿真器传输的飞行数据（可达每秒50次）并记录水平和垂直方向的飞行轨迹，可将约约30个重要的飞行数据实时显示在视景屏幕上，并能够回放历史数据；
视景***可变观测视角（8个角度），变视场（无级缩放）显示；
视景***可准确显示出无人机组件的细节运动过程，如起落架收放过程、舵面的开闭，试验人员可以直观地观察；
有效充分的测试关键参数，大大缩短研制周期，加快进度，降低风险。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。 
图1是本发明可视仿真试验***的组成方框图。 
图2是本发明视景显示***电气连接图。 
     图3是本发明视景显示***物理结构图。 
具体实施方式
参阅图1。描述的无人机的可视仿真试验***，主要包括实时三维成像计算机***，柱形屏幕成像***，数学模型及大气环境仿真器、惯导/GPS/磁力计仿真器、陀螺仿真器、大气机/无高表仿真器、遥控遥测仿真器、地检仿真器、总静压模拟器、无线电回波模拟器(RA)，综合控制柜、飞控计算机。上述的所有仿真器通过RS422/232/485串行接口与综合控制柜相连，各传感器仿真器之间通过以太网相连，各传感器仿真器与数学模型仿真器之间通过以太网连接，无线电回波模拟器(RA)和总静压模拟器也通过RS422联入综合控制柜。 
在上述***中，数学模型及大气环境仿真器实时运行无人机动力学及运动学数学模型、动力***模型、刹车***模型以及大气环境模型，通过由控制柜串行接口得到的舵机控制器控制帧、发动机电调***控制帧以及刹车***控制帧，及用户界面输入，进行各数学模型解算，输出无人机的运动状态信息以及相应的控制信息发送，将其计算结果通过以太网发往惯导/GPS仿真器、垂直陀螺/速率陀螺仿真器、大气数据计算机/无线电高度表仿真器，相关设备状态信号通过控制柜发送至飞控计算机，并在视景显示设备上显示无人机实时三维模型和重要飞行数据。 
惯导/GPS/磁力计仿真器依据数字无人机输出的位置、速度和姿态信息，模拟惯导的数据帧结构，通过RS422发送到飞控计算机；根据位置、速度信息的计算结果，模拟GPS的数据帧结构，通过RS422发送到飞控计算机；根据数字无人机三轴磁通量计算结果，模拟磁力计的数据帧结构，通过RS485发送到飞控计算机。 
陀螺仿真器实时根据数字无人机的俯仰角、滚转角、俯仰角速率、滚转角速率、偏航角速率的计算结果，模拟垂直陀螺和速率陀螺的数据，通过D/A发送到飞控计算机。 
大气机/无高表仿真器实时根据数字无人机的高度、空速和升降速度的计算结果，模拟无线电高度表和大气数据计算机的数据，通过RS422串口发送到飞控计算机。 
遥控遥测***仿真器依据数字飞机的输出结果，提供遥测数据，并实时采集操控***遥控信号，发给飞控计算机，实现对无人机的控制。能够模拟飞机控制模式选择指令、飞机控制指令，提供飞机控制模式显示、飞机信息显示、设备状态显示、遥测回报信息显示。 
地面检测仿真***依据实际地面检测***的电气接口特性，完成模拟真实地面检测***的上电检测、飞行前检测和维护检测。 
总静压模拟器为飞控子***仿真提供大气数据的动态仿真，利用此设备可以将大气机/无高表仿真器引入仿真***。 
无线电回波模拟器为无线电高度表做动态高度仿真，利用此设备可以将大气机/无高表仿真器引入仿真***。 
视景显示设备采用先进的计算机三维图像实时生成技术，在基于PC的硬件计算平台上，通过高亮度、高分辨率的柱型屏幕投影显示，实现高品质三维图象的实时生成与显示。***输入为数学模型及大气环境仿真器通过以太网传来的数据，能够实时接收无人机信息，显示飞机姿态和基本地物，记录约30个重要飞行参数并实时显示。 
图像显示具有以下功能： 
  a)      变观测点，包括：左前上，右前上，左后上，右后上，左前下，右前下，左后下，右后下；
  b)      变大小视场，根据需要连续可调；
  c)      实时显示并可记录飞行轨迹，分为水平飞行轨迹和垂直飞行轨迹，亦可三维显示；
  d)      切换近景及远景，近景可显示起落架收放及舵面运动过程；
  e)      具有图像回放功能；
  f)        通道间实时在线边缘融合及色彩均衡，使画面的视觉效果完整、和谐统一；
  g)      整个画面实时几何校正，不存在视觉上的几何变形；
  h)      三通道画面可以同时显示一个完整的场景，也可以分别显示不同的内容(如曲线、数据、飞机局部控制舵面的实时运动等)。
参阅图2。***由以下两部分组成： 
1）实时三维图像生成部分：包括图像生成计算机三台，控制计算机一台，矩阵切换器一台，网络集线器一台，机柜及各类连接电缆；
2）投影显示部分：包括投影机三台，三自由度调节吊架三套，柱型显示屏幕（含钢结构支架等）；
成像计算机通过千兆以太网接收到实时仿真飞行数据后，通过软件运算，4号机输出整体图像到图像显示器，1-3号机分别输出三通道图像到三台投影机。
参阅图3，通过调整各投影机角度，可使三通道图像拼合成整体显示在柱状屏幕上，每通道视角范围44°，总视角130°。 
  

Claims (5)

1.一种用于无人机的可视仿真试验***，包括，实时三维成像计算机***，柱形屏幕成像***和与飞控计算机相连的综合控制柜，其特征在于：它还包括，仿真器之间通过以太网相连并同时分别连接综合控制柜的视景显示设备、惯导/GPS/磁力计仿真器、陀螺仿真器、地检仿真器、遥控遥测仿真器，以及经以太网路由器电连接的数学模型及大气环境仿真器（无人机数学模型仿真器）和通过所述数学模型仿真器电连接上述综合控制柜的大气机/无高表仿真器、总静压模拟器(ADC)、无线电回波模拟器(RA)仿真***，其中，将飞控计算机舵面控制指令作为舵面偏转角度的无人机数学模型仿真器，除进行实时全量非线性方程的解算外，还将计算结果发往惯导/GPS/磁力计仿真器、陀螺仿真器、大气机/无高表仿真器和各传感器，通过各自的电气接口将信号经上述综合控制柜发往飞控计算机，实时显示出无人机各***状态和数据，将无人机的三维模型和重要飞行数据实时显示在视景显示设备上。
2.如权利要求1所述的用于无人机的可视仿真试验***，其特征在于，陀螺仿真器实时根据飞机的俯仰角、滚转角、俯仰角速率、滚转角速率、偏航角速率的计算结果，模拟垂直陀螺和速率陀螺的数据，通过D/A发送到飞控计算机。
3.如权利要求1所述的用于无人机的可视仿真试验***，其特征在于，大气机/无线电高度表仿真器实时根据数字飞机的高度、空速和升降速度的计算结果，模拟无线电高度表和大气数据计算机的数据帧结构，通过RS422串口发送到飞控计算机。
4.如权利要求1所述的用于无人机的可视仿真试验***，其特征在于，无人机数学模型及大气环境仿真器运行无人机数学模型，通过接收控制柜及舵机加载台等相关设备的操纵信息，输出无人机的实时飞行数据以及相应的控制信息，发送至飞控计算机、各传感器仿真器及成像计算机。
5.如权利要求1所述的用于无人机的可视仿真试验***，其特征在于，惯导/GPS/磁力计仿真器依据数字飞机输出的位置、速度和姿态信息，模拟惯导的数据帧结构，通过RS422发送到飞控计算机。
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