將HIL應用于無人機制導、導航與控制

　　挑戰:

　　在目標硬件上搭建一個系統，在實時控制仿真環境中，來驗證無人飛機(UAV)的制導、導航和控制(GNC)算法。

　　解決方案:

　　在開發的早期階段，開發一個硬件在環(HIL)測試環境來測試無人機GNC解決方案。

　　HIL測試環境是軟件仿真和飛機實驗的一個中間步驟，對于無人機GNC軟件的開發過程非常關鍵。通過HIL環境，工程師可以在一個可控的仿真環境中對無人機軟件進行測試。同時，它也能加速設計，縮短開發周期。

　　通過HIL環境，工程師可以發覺軟件仿真(主要是同步和定時)中沒有出現的問題，從而避免現場試驗的故障，并增加無人機團隊的安全性。

　　我們開發了一個通用的HIL平臺來設計驗證控制和導航算法。這個HIL測試環境完全集成在一個基于模型的設計開發周期中(見圖1)?！　?/p>

 

　　基于模型的開發

　　首先我們設計編改了無人機平臺，將其用于仿真，并將控制器和算法部署至硬件中。

　　我們根據基于模型的設計理念來完成這個任務。對于系統設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計時間，輕松完成對于測試架構的重復利用，以及快速系統原型，從而形成一個連續的確認和驗證過程。

　　構架的目的包括：在不同的硬件平臺上不用任何改變即可對模型重復利用;對設計測試套件模型進行重復使用以驗證目標系統;將透明模型完全集成到目標硬件中，并創建一個系統的，快速的流程，將自動生成的代碼集成到目標硬件，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，我們使用Simulink®公司的MathWorks軟件(我們還使用了Esterel Technologies公司的SCADE套件)開發了模型任務，并使用MathWorks和Real-Time Workshop®公司的軟件實現自動編碼。我們需要兩次不同的編改：在無人機中進行測試及執行的算法是由ANSI C代碼編寫的，仿真無人機動態行為的數學模型將通過LabVIEW仿真接口工具包轉換至NI LabVIEW軟件動態庫中。

　　在最終的系統中，我們使用多個LabVIEW I/O模塊來仿真一些無人機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行延時。在這個案例中，PXI需要在一個復雜的無人機模型中運行，該模型會在實時中以動態庫的形式被執行。 在系統中使用PXI模塊能讓我們使用無人機上完全一樣的接口進行HIL仿真。所以，我們會以現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問題(例如信號噪音，錯誤和同步問題)的系統來說是十分重要的。

　　GPS仿真器

　　通過Spirent GSS8000 GPS仿真器，我們能夠仿真并生成用戶選擇的GNSS星座衛星所發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上真實的GPS傳感器，并能仿真慣性傳感器(加速度計和回轉儀)。我們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。