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为旋翼式无人飞行器开发硬件在环仿真器

G. M. Saggiani - University of Bologna?? School of Engineering Forlì?? 2009年12月07日 ?? 收藏0

Industry:
Aerospace/Avionics, Research

Products:
PXI-7831R, CompactRIO, Real-Time Module, LabVIEW, FPGA Module, Control Design and Simulation Module, NI 9474, NI 9411

The Challenge:
为博洛尼亚大学(UNIBO)的旋翼式无人飞行器(RUAV)平台开发硬件在环测试台,它能够对实际的UAV系统进行模拟,用于进行安全无风险的飞行前测试。

The Solution:
使用NI CompactRIO和LabVIEW FPGA 模块开发集成的模块化HIL仿真系统。

在我们开发的RUAV航空电子系统组件中
在我们开发的RUAV航空电子系统组件中,使用CompactRIO作为飞行计算机,因为它有着可靠且可重新配置的构架

  "CompactRIO和HIL仿真器可以快速而便捷的进行编程。它们还可以加速软硬件的开发和整合。"


  无人驾驶飞行器在民用和军用的许多领域中,是一个很有前景的低成本选择。相比传统的飞行器,无人飞行器可以提供更低的运行成本和显著的人员安全优势(特别是枯燥、肮脏和危险的任务)。近几年来,我们开展了若干个民用的固定机翼或旋翼式UAV平台的研究项目。

  为了开发出这种类型的平台,我们需要新的航空电子系统,能够使直升机保持在稳定的高度并按照需要的轨迹飞行。该航空电子设备系统包含传感器、计算机和数据通信硬件,以及对飞行器进行导航和控制的软件。RUAV航空电子系统的开发,需要涉及到微电子、数据通信、电子集成、安装和编程、滤波器设计、信号调理及振动隔离等广泛领域。传统的RUAV项目使用机载电子设备,需要雇佣大量的专业技术人员进行系统的装配和测试,这增加开发的时间成本。

  在我们开发的RUAV航空电子系统组件中,使用CompactRIO作为飞行计算机,因为它有着可靠且可重新配置的构架,可以快速而便捷地集成不同的I/O硬件和传感器。

  与直升机平台建造及航空电子系统开发同时进行的是,在LabVIEW环境中开发模块化半实物测试平台,用于安全无风险的飞行前测试。CompactRIO和HIL仿真器可以快速而便捷的进行编程。它们还可以加速软硬件的开发和整合。

  硬件和系统构架

  RUAV系统的开发通常使用下面的方法:

  硬件选型和系统建立
  设计传感器采集软件和控制系统
  开发半实物测试台,对机载硬软件进行无风险的地面测试
  最终的自主飞行实验测试
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  我们的RUAV平台由Hirobo60业余直升机组成,我们对直升机进行了改装来装载航空电子硬件。为了提高直升机的载重能力,我们还安装了更为强大的引擎、更长的玻璃纤维桨叶、更长的尾桁和尾桨。

  同时,我们使用CompactRIO硬件作为飞行计算机,用于采集传感器信息,并且根据CompactRIO上的控制算法生成PWM执行器信号。此系统利用数字输入模块NI 9411管理RS232协议,从Crossbow NAV420 AHRS (航姿系统) 接收飞行数据信息;分别利用数字输入模块NI 9411和数字输出模块NI 9474,接收和发送PWM执行器信号;利用数字输入模块NI 9411和数字输出模块NI 9474管理I2C协议,采集声纳传感器的高度信息;从现场可编程门阵列(FPGA)接收传感器信息并记录所有的飞行数据,同时管理与地面控制台的无线以太网通信。

  我们开发的HIL测试台在测试环中包含了尽可能多的飞行器硬件:

  运行机载软件的飞行计算机等效硬件。我们使用了NI PXI-7831R与计算机的通信。利用FPGA接口卡模拟CompactRIO实时计算机。
  模拟直升机单元和机载传感器输出的计算机。
  包含了真正的GCS源代码,并使用TCP/IP协议与模拟计算机进行通信的地面控制台(GCS)计算机。
  还可以选择性地添加OpenGL视觉系统计算机,用于重现直升机飞行时的虚拟景色。视觉系统可以通过TCP/IP协议从GCS计算机接收输入。
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  HIL仿真器软件

  LabVIEW代码管理整个RUAV系统和HIL仿真器。这两段软件有着典型的CompactRIO应用设计构架。

  在实际的RUAV系统中,FPGA代码使用四个不同的传感器读写循环和1个比例-积分-微分(PID)控制循环用于直升机的控制。PID循环是50Hz的闭环。写循环将PWM命令发送到直升机的主旋翼、尾旋翼和伺服执行器,完成预定义的飞行动作。第一个读取循环使用RS232协议,从Crossbow NAV 420处获得直升机的高度、角速度、速度和GPS位置,我们使用FPGA数字输入管理RS232协议,确保确定性数据采集。第二个读取循环管理PWM命令数据采集。另一个读写循环用于采集声纳传感器数据并管理I2C协议。


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UAV系统? LabVIEW? FPGA?

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