CN106773787A - 一种基于串口通信的无人机飞行仿真演示验证平台 - Google Patents

一种基于串口通信的无人机飞行仿真演示验证平台 Download PDF

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马铭泽
唐瑞琳
李梓衡
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Abstract

本发明属于飞行仿真技术、无人机半物理仿真试验技术领域，具体涉及一种基于串口通信的无人机飞行仿真演示验证平台。主要组成包括：主飞行仿真计算机、飞控计算机、视景计算机、仪表计算机、作动器控制器、地面站操纵装置以及数据监控计算机。本发明充分考虑无人机机载设备间普遍采用的串口通信方式，将飞行仿真技术和串口通信仿真技术相结合，建立无人机半物理仿真开发验证平台，结合数据监控计算机进行仿真状态监控与故障模拟仿真，并配合视景计算机和仪表计算机的显示，更加直观的演示验证无人机飞控***设计状态，极大程度的将无人机飞控***设计与***验证融合开展，可广泛应用于无人机飞控***的研制工作中。

Description

一种基于串口通信的无人机飞行仿真演示验证平台
技术领域
本发明属于飞行仿真技术、无人机半物理仿真试验技术领域，具体涉及一种基于串口通信的无人机飞行仿真演示验证平台。
背景技术
无人机作为近年来发展迅猛的航空领域，已经越来越多的应用到军、民用的多个方面。相对于大型有人飞机的飞控***，无人机的飞控***结构相对简单，机载设备相对较少。因此，所以要求的设计周期较短，研制费用较低，研制流程较为简化。有人飞机型号普遍采用铁鸟半物理仿真试验平台对完整飞控***的通信接口、控制律参数、逻辑等进行全面的试验验证来保证飞机飞控***的可靠性和稳定性。铁鸟***是一个复杂而昂贵的试验验证平台，机载设备通信接口数据一般通过特定的试验器或反射内存卡的方式与数字仿真数据之间进行转换，成本较高。而目前无人机飞控***的研制过程主要是在利用数字仿真手段进行控制律设计的基础上，结合试飞验证的方式开展的。这就导致无人机飞控***机载设备之间的通信接口验证不够充分，可靠性降低，并且试飞验证耗费的人力和时间成本较高。目前无人机飞控***普遍采用422、232等串口协议作为机载设备间的通信协议。本发明充分考虑无人机机载设备间普遍采用的串口通信方式，将飞行仿真技术和串口通信仿真技术相结合，建立无人机半物理仿真开发验证平台，结合数据监控计算机进行仿真状态监控与故障模拟仿真，并配合视景计算机和仪表计算机的显示，更加直观的演示验证无人机飞控***设计状态，极大程度的将无人机飞控***设计与***验证融合开展，满足无人机飞控***的研制特点。
发明内容
本发明的目的是：提供一种基于串口通信的无人机飞行仿真演示验证平台，结合飞行仿真技术和串口通信仿真技术，将主仿真计算机中的飞行仿真模型解算出的飞行参数通过串口通信模块仿真为飞控***机载设备的串口通信形式，发送给飞控计算机进行控制律解算并形成控制指令，以实现无人机飞控***半物理闭环仿真试验验证。通过数据监控计算机对闭环仿真过程进行实时监控，并能够修改串口通信数据进行故障模拟仿真。结合视景和仪表显示更加直观的呈现闭环仿真的飞行状态，以满足飞控***控制律开发要求以及机载设备接口测试要求。该发明可应用于无人机飞控***开发与试验验证。
本发明的技术方案是：为达到上述发明目的，本发明采用以下技术方案：
一种基于串口通信的无人机飞行仿真演示验证平台，其特征在于，包括主飞行仿真计算机1、飞控计算机2、视景计算机3、仪表计算机4、作动器控制器5、地面操纵装置6和数据监控计算机7，其中：
所述主飞行仿真计算机1用于实现飞行仿真和串口仿真，主要包括飞行仿真模块101和串口通信模块102，飞行仿真模块101用于仿真飞机本体六自由度运动，串口通信模块102用于将飞行仿真的输入和输出信号转换为真实机载设备的串口通信协议数据格式与飞控计算机2和作动器控制器5以及地面操纵装置6交联；
所述飞控计算机2用于综合处理飞行仿真模块101解算出的飞机运动状态参数和地面站操纵装置6指令，进行控制律解算，输出飞行控制指令至作动器控制器5，通过串口通信协议与主飞行仿真计算机1和作动器控制器5交联；
所述视景计算机3用于以驾驶员视角显示实时飞行状态，与主飞行仿真计算机1以UDP通信方式交联；
所述仪表计算机4用于以通用仪表方式对飞行实时高度、速度、姿态角、位置等信息进行显示，与主飞行仿真计算机1以UDP通信方式交联；
所述作动器控制器5以串口通信方式与飞控计算机2交联，接收飞控计算机2的控制指令，驱动舵面运动并将舵面位置信息以串口形式发送给主飞行仿真计算机1；
所述地面操纵装置6用于进行人工操纵输入和飞行模态控制切换，如全自助、增稳、人工控制等模态转换；
所述数据监控计算机7用于提取串口通信模块102的通信数据，对串口通信数据进行监控和修改，使设计人员实时掌握各个串口的接收发送数据内容，并通过修改数据内容达到故障状态模拟的目的；
本发明所产生的有益效果：本发明能够仿真各种无人机常用串口通信协议，模拟真实无人机飞控***机载设备间的通信方式进行半物理闭环仿真演示验证。便于在无人机飞控***开发过程中融入机载设备接口测试。通过数据监控计算机对闭环仿真过程进行实时监控，有利于准确定位故障，提高排故效率，同时数据监控计算机能够修改串口通信数据进行故障模拟仿真，有助于提高故障状态的控制策略设计，提高***可靠性与稳定性。结合视景和仪表显示可以更加直观的呈现闭环仿真的飞行状态，使设计人员直观感受所开发飞控***的飞行品质，提高设计效率。本发明具有较好的可重构性和可重用性，可推广应用于其他无人机型号飞控***设计中，节约研制成本，缩短研制周期。
附图说明
图1是本发明结构框图；
其中，1－主飞行仿真计算机、2－飞控计算机、3－视景计算机、4－仪表计算机、5－作动器控制器、6－地面站操纵装置、7－数据监控计算机、101－飞行仿真模块、102－串口通信模块。
具体实施方式
下面结合说明书附图及实例对本发明做进一步详细描述，请参阅图1。
本发明的原理：本发明结合飞行仿真技术和串口通信仿真技术，将主仿真计算机中的飞行仿真模型解算出的飞行参数通过串口通信模块仿真为飞控***机载设备的串口通信形式，发送给飞控计算机进行控制律解算并形成控制指令，以实现无人机飞控***半物理闭环仿真试验验证。通过数据监控计算机对闭环仿真过程进行实时监控，并能够修改串口通信数据进行故障模拟仿真。结合视景和仪表显示更加直观的显示闭环仿真的飞行状态，以满足飞控***控制律开发要求以及机载设备接口测试要求。
本发明的思路：本发明以实现基于串口通信的无人机飞控***闭环半物理仿真为目标，充分考虑各种无人机通用机载设备串口通信形式，将飞行仿真数据转换为串口数据格式进行半物理闭环仿真，并利用数据监控手段进行仿真状态监控和通信数据修改，实现故障状态仿真，结合视景和仪表显示实现无人机飞控***开发半物理闭环仿真的工作过程。
具体实施步骤包括：主飞行仿真计算机通过其中的串口通信模块接收来自作动器控制器的舵面位置信息以及地面操纵装置的操纵指令，将舵面位置信号转换为飞行仿真模块所需要的仿真输入信号，操纵指令通过串口通信模块转发给飞控计算机。飞行仿真模块根据舵面位置信号仿真飞机六自由度运动，并输出飞机实时飞行状态参数。串口通信模块根据飞控***机载设备的类型及对应的串口通信协议，将飞行状态参数转换为各个机载设备的串口信号形式发送到飞控计算机。飞控计算机接收来自主仿真计算机的飞行状态参数以及地面操纵指令，进行控制律解算并输出控制指令信号到作动器控制器。作动器控制器根据控制指令输出舵面位置发送至主飞行仿真计算机，形成完整半物理闭环仿真回路。同时视景计算机和仪表计算机接收来自主飞行仿真计算机的飞行状态参数，驱动视景和仪表仿真进行实时飞行状态显示。数据监控计算机可以对串口通信模块中进行转换的仿真信号进行监控和修改。
本发明的具体内容：一种基于串口通信的无人机飞行仿真演示验证平台，主要组成包括：主飞行仿真计算机(1)、飞控计算机(2)、视景计算机(3)、仪表计算机(4)、作动器控制器(5)、地面操纵装置(6)和数据监控计算机(7)。
主飞行仿真计算机(1)作为平台的核心，用于实现飞行仿真和串口仿真，主要包括飞行仿真模块(101)和串口通信模块(102)。飞行仿真模块(101)用于仿真飞机本体六自由度运动，串口通信模块(102)将飞行仿真的输入和输出信号转换为真实机载设备的串口通信协议数据格式与飞控计算机和作动器控制器以及地面操纵装置交联；
飞控计算机(2)作为机载设备，装载机载控制律软件，通过串口通信协议与主飞行仿真计算机(1)交联，综合处理飞行仿真解算出的飞机运动状态参数和地面站操纵指令，进行控制律解算，输出飞行控制指令；
视景计算机(3)接收来自主飞行仿真计算机(1)的飞行状态参数以驾驶员视角进行图形化显示，结合地形数据使仿真环境更加真实直观；
仪表计算机(4)接收来自主飞行仿真计算机(1)的飞行状态参数以通用仪表方式对飞行实时高度、速度、姿态角、位置信息等进行显示，使设计人员能够实时监控飞行状态。
作动器控制器(5)作为机载设备，以串口通信方式与飞控计算机(2)交联，接收飞控计算机(2)的控制指令，驱动舵面运动并将舵面位置信息以串口形式发送给主飞行仿真计算机(1)。
地面操纵装置(6)用于进行人工操纵输入和飞行模态控制切换，如全自助、增稳、人工控制等模态转换。
数据监控计算机(7)是闭环仿真中串口通信数据的人机交互设备，用于提取串口通信模块(102)的通信数据，能够对所有串口通信数据进行监控和修改，使设计人员实时掌握各个串口的接收发送数据内容，并通过修改数据内容达到故障状态模拟的目的。

Claims (1)

1.一种基于串口通信的无人机飞行仿真演示验证平台，其特征在于，包括主飞行仿真计算机(1)、飞控计算机(2)、视景计算机(3)、仪表计算机(4)、作动器控制器(5)、地面操纵装置(6)和数据监控计算机(7)，其中：
所述主飞行仿真计算机(1)用于实现飞行仿真和串口仿真，主要包括飞行仿真模块(101)和串口通信模块(102)，飞行仿真模块(101)用于仿真飞机本体六自由度运动，串口通信模块(102)用于将飞行仿真的输入和输出信号转换为真实机载设备的串口通信协议数据格式与飞控计算机(2)和作动器控制器(5)以及地面操纵装置(6)交联；
所述飞控计算机(2)用于综合处理飞行仿真模块(101)解算出的飞机运动状态参数和地面站操纵装置(6)指令，进行控制律解算，输出飞行控制指令至作动器控制器(5)，通过串口通信协议与主飞行仿真计算机(1)和作动器控制器(5)交联；
所述视景计算机(3)用于以驾驶员视角显示实时飞行状态，与主飞行仿真计算机(1)以UDP通信方式交联；
所述仪表计算机(4)用于以通用仪表方式对飞行实时高度、速度、姿态角、位置等信息进行显示，与主飞行仿真计算机(1)以UDP通信方式交联；
所述作动器控制器(5)以串口通信方式与飞控计算机(2)交联，接收飞控计算机(2)的控制指令，驱动舵面运动并将舵面位置信息以串口形式发送给主飞行仿真计算机(1)；
所述地面操纵装置(6)用于进行人工操纵输入和飞行模态控制切换，如全自助、增稳、人工控制等模态转换；
所述数据监控计算机(7)用于提取串口通信模块(102)的通信数据，对串口通信数据进行监控和修改，使设计人员实时掌握各个串口的接收发送数据内容，并通过修改数据内容达到故障状态模拟的目的。
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