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1、 基于半实物仿真平台的通用无人机系统模拟器设计 倪怡涛 李俊杰 李晓明 摘 要：无人机本身是一个简单的机电系统，是机械、电子、通讯、掌握、信息等技术的高度融合体，如何模拟无人机单元是这些系统开发的一个重要课题。本文提出了基于通用半实物仿真平台的无人机模拟方案，与传统的数学模型或数据驱动模型方案相比，该模拟方案更接近真实系统，更简单模拟各种故障，同时也更简单与真实系统进展替换，便利系统整体的开发、测试与运行。提出的模拟器方案基于单元模拟，通过对无人机系统内各个单元的数据交互和通讯协议进展抽象，以真实的接口实现单元之间的数据交互，将无人机飞行模型仿真单元嵌入系统中，实现最大程度接近真机的模拟。测试
2、说明，该模拟方案不但可以用于总体系统的开发和调试，而且对无人机自身的研制、测试等起到了关键作用。 關键词：无人机系统;组件;仿真;通讯 中图分类号：TP311.5 文献标识码：A Abstract： Unmanned Aerial Vehicle （UAV）， a complex electromechanical system， is a high integration of machinery， electronics， communication， control， information and other technologies. How to simulate the UAV
3、unit is an important topic in developing these systems. This paper proposes a UAV simulation solution based on semi-physical simulation platform. Compared with traditional mathematical model or data-driven model program， the simulation solution is closer to the real system， easier to simulate variou
4、s faults， and easier to match the real system. The system facilitates the overall development， testing and operation of the system. The unit-based simulator solution proposed realizes data interaction between units by abstracting data interaction and communication protocol of each unit in the UAV sy
5、stem with a real interface. UAV flight model simulation unit is embedded in the system to realize the simulation as close as possible to the real machine. Tests show that the simulation solution proposed can not only be used for development and debugging of the overall system， but also play a key ro
6、le in the development and testing of the UAV itself. Keywords： UAV system; component; simulation; communication 1 引言（Introduction） 无人机已广泛应用于航空、航天、测控和勘探等领域，其开发测试技术和流程越来越精细和简单，无人机系统的仿真模拟技术应运而生。目前国内传统无人机系统的开发仿真模拟平台大多采纳计算机半自动化的方案，例如LabVIEW1-2、MATLAB/Simulink3等供应仿真环境，通过软件供应的模块构建仿真模型;基于机器人操作系统（ROS）仿真环境4，通
7、过ROS集成的可视化功能为无人机系统供应环境信息猎取、无人机动力模型搭建及可视化操作5;基于组件化建模技术、消息总线构造等思想，构建无人机仿真试验模型对无人机系统进展半实物仿真6-7。 但是，在进展设备模拟、仿真试验时，开发人员必需手动操作和协调多个测试设备的掌握计算机或上位机软件进展协作测试。我国现有的无人机系统模拟平台较多，但是缺少具备自动化、通用化和可伸缩化等特点的无人机系统模拟平台，导致无人机模拟开发测试效率低下，难以满意现代化的无人机开发测试需求。针对该问题，本文以根据网络化仪器概念自研的模块化组合通用测试仪器系统为根底8，对满意现代化需求的无人机半实物仿真平台进展讨论，通过对无人机
8、系统内各个单元的数据交互和通讯协议进展抽象，进展软硬件结合的单元模拟，提出了基于通用半实物仿真平台的无人机模拟方案，最终使用该平台完成无人机半实物仿真试验。 2 无人机系统模拟器方案设计（Program design of Unmanned Aerial Vehicle system simulator） 现有的设备模拟方案根本上可以分为两类，分别是数据驱动9和仿真驱动10。前者通过预设的数据模型来模拟设备的输入输出数据与总系统进展交互，如图1所示;而后者则是通过数学模型和输入数据进展计算得到输出数据与总系统进展交互，如图2所示。 基于数据模型的模拟适合固定流程与通讯协议的设备模拟，例如设备自
9、检、状态查询等，但对于无人机这种动态系统不太适宜;基于仿真模型的模拟则相反，能够动态地生成模拟数据，但对于无人机系统开发流程各环节，通讯等行为的模拟有困难，另外模拟的效果取决于数学模型的真实性，大多数状况下难以保证。 本文提出了基于半实物平台的无人机设备模拟方案，该方案将无人机各个子系统（单元）虚拟化，但各单元的通讯接口采纳实物实现，通过接口传送的信号均为真实物理信号。虚拟化的单元运行于计算机系统内，通过数据驱动或者仿真驱动的方式接收真实的输入信号，同时在对应的接口处生成应答的信号。该方案构造如图3所示。 无人机系统可以抽象为飞行模型模拟单元、惯组模拟单元、掌握器模拟单元、发动机模拟单元、视觉
10、模拟单元、通讯模拟单元等六个模拟单元。通过该构造图可以看出，本文提出的模拟方案基于半实物仿真平台，通过模拟各个单元的模型及其之间的相互通讯从而实现总体的设备模拟。详细到每个单元的模拟，则可以分别采纳数据模型或者仿真模型的方式来实现。 该方案是在本课题组自研的半实物仿真平台根底上设计实现的，该半实物仿真平台硬件上采纳组合式构造，通过自有学问产权的仪器总线将嵌入式主机、各个DSP扩展模块、电源系统等连接在一起，可依据需要选择不同的DSP扩展模块，例如CAN通讯模块、串口模块、专用计算模块等。嵌入式主机运行嵌入式操作系统，可以通过以太网络接口与上位机PC进展通讯;软件上开发了基于组件的运行平台和开发
11、平台，供应了图形化编程的应用开发方式以及所见即所得应用界面开发方式。 3 无人机模拟器半实物仿真平台设计与实现（Design and implementation of semi-physical simulation platform for Unmanned Aerial Vehicle simulator） 3.1 无人机模拟器系统架构设计 无人机系统模拟以课题组自研的模块化组合通用测试仪器系统为根底，用基于组件化的开发平台/运行平台来实现无人机系统的模拟。应用软件开发平台构成方面，无人机半实物仿真平台主要由运行在上位机的客户端、主机的效劳端和前端扩展板的软件程序构成。 无人机系统模拟器
12、采纳三层架构的设计，三层闭环模拟系统分为：上位机闭环、主机闭环和前端闭环，如图4所示。上位机闭环显示无人机系统的人机界面，模拟数据显示与应答;主机闭环依据上位机下发的指令和数据进展无人机功能模拟，进展无人机系统内部单元模拟;前端闭环是进展无人机真实单元设备的数据和交互，完整地模拟设备的真实运行。三个层次之间通过数据通讯技术来实现同步，并实现数据自上而下的分解，例如上位机闭环处理的是无人机本体的相关数据，主机闭环处理的是各个模拟单元的标准数据，前端闭环则负责将标准数据转换为前端对应的专用设备可以识别的专用数据或信号。 为了保证模拟器系统的通用性，需要将无人机模拟器内的数据进展标准化，制定各单元间
13、标准的通讯协议，这样在上位机、主机和前端之间交互的数据就是内部的、标准化的数据11。全部的数据处理、掌握流程、模型计算等都可以标准化并实现通用化;前端与外部物理接口输入输出的数据（信号）是面对应用的，是专用的，由前端模块里的DSP程序负责转换，如图5所示。 3.2 无人机系统模拟器主机与前端通讯接口选择 无人机系统模拟器是模拟真实的无人机设备，系统内部常用设备有惯组、掌握器、发动机、视觉传感器等，不同功能、生产厂家和型号的设备产品的硬件体系构造、程序语言定义和详细程序编制等往往不同，它们对外开放的硬件通讯接口和软件通讯协议通常也都各有差异，因此，需要对真实无人机系统内部模块的硬件通讯接口进展梳
14、理归纳，如表1所示。 由此可见，无人机系统中各单元之间通讯方式大局部是标准的通讯接口，可以选用课题组开发的通用IO前端模块系列来实现。该IO通讯系列前端具有标准化的各类硬件通讯接口，包括USB接口、LAN接口、CAN总线接口、RS232/422/485接口等，解决了半实物仿真系统中无人机系统硬件通讯接口缺乏的问题。对于特殊稀有的通讯接口，可以开发专用的前端模块来解决。 3.3 无人机模拟器系統应用高层通讯协议 应用高层协议是主机与DSP前端之间数据交换的标准化协议。该协议建立在半实物仿真平台内部高速仪器总线通讯协议的根底上，在设计时除了数据字段外，预留了32位留给应用层协议实现。该32位主要影
15、响的是发送数据包的优先级问题，由于优先级与详细的操作和消息类型有关，因此该32位主要用来定义发送的消息和数据的类型以及标识。 应用高层协议主要描述的是数据/消息的标识定义方法以及该数据/消息携带的数据的详细封装格式12-13。因此，无人机高层协议里主要需要抽象出完整系统中各种数据和消息的定义及构造并标准化，实现通用。 由于数据和消息依靠于详细的单元，因此首先对无人机设备的硬件类型进展归纳，如表2所示。 下面以惯组模拟单元为例介绍高层协议的设计。 惯组模拟单元主要进展环境参数采集、初始经纬度数据采集、初始三轴加速度采集、初始三轴角速度采集、导航参数设置和导航数据采集等操作，如表3所示是惯组模拟单
16、元的每个操作及其对应的参数集合。惯组模拟的类型编号为0，根底操作编号是指该类测试硬件单个根底操作的编号，可以对惯组模拟单元的特定数据进展采集与设置。无人机系统的总线实现了优先级仲裁功能，高优先级的消息能更快地得到响应，因此将惯组模拟单元数据采集、设置以及无人机系统设备设置类从低到高设置优先级。无人机系统硬件的类型数和操作数都在10 个以内，因此将测试硬件类型、优先级和根底操作编号分别预留4 byte、2 byte和4 byte。 3.4 无人机模拟器仿真模型实现 无人机系统模拟器可以抽象为飞行模型组件、惯组组件、掌握器组件、发动机组件、视觉组件、通讯组件等根底组件，这些组件遵循通用仪器平台组件
17、设计标准，能够被设计平台和运行平台自动识别，并在设计和运行阶段供应相应的参数属性设置以及预设的功能、操作等。 无人机系统内部设备抽象为单元模拟组件之后，设计相关组件详细功能，如表4所示。 以惯组组件为例，如图6所示，该组件实现模拟惯组设备功能：（1）进展实时仿真惯组的行为模拟;（2）承受掌握器模块发来的指令和数据;（3）依据承受的指令做动作或应答;（4）产生应答数据发送给掌握器模块，对数据进展实时打包和传递。对该组件，我们定义三个输入端口和两个输出端口，详细组件的端口类型、数据类型、功能说明如表5所示。 4 实例测试（Example demonstration） 本试验基于课题组的模块化组合通
18、用测试仪器系统，实物如图7所示。在软件构成方面，无人机测试平台主要由运行在主控计算机上的客户端、主机的效劳端以及前端的DSP程序组成;应用开发平台主要由测试界面（UI）软件开发平台、测试应用软件开发平台、下载治理工具和其他扩展插件组成;测试界面软件开发平台包括UI组件库、UI组件更新软件、测试界面可视化编程软件和测试界面运行软件等局部，其功能是组件的加载和更新，为UI组件供应界面属性编辑视图，允许用户以嵌套界面组件的方式组合和编辑无人机仿真测试界面，最终运行生成无人机测试界面软件;测试应用软件开发平台主要是应用组件库、应用组件更新软件、测试应用可视化编程软件（分别为客户端和效劳端）和测试应用运
19、行软件，为应用组件供应加载和更新的功能，其属性编辑视图允许用户以拖放组件图标和组件端口连线的方式组合和编辑无人机仿真测试应用，最终运行生成無人机测试应用软件。 进展无人机系统半实物仿真测试，流程图如图8所示，搭建无人机客户端的测试界面软件和应用软件。本实例进展惯组组件的单元模拟测试。 首先从应用组件库通过拖拉的方式将组件图标拖入可视化编程视图中，如图9所示;再通过嵌套的组合搭建UI测试页面，编辑组件属性;最终绑定开发平台组件的端口进展数据交互，运行测试应用软件进展无人机系统的半实物仿真。 通过上位机客户端展现无人机系统模拟器的实时仿真数据，可以根据测试要求搭建界面数据信息展现组件，启动按钮可以
20、开头无人机界面测试软件的运行，指示灯表示软件运行状态，如图10所示。 通过上位机客户端与主机效劳端相互通讯，运行界面测试软件，实时展现无人机惯组组件的传感器数据、导航数据等，如图11所示。 5 结论（Conclusion） 本文所提出的模拟器方案基于单元模拟，通过对无人机系统内各个单元的数据交互和通讯协议进展抽象，以真实的接口实现单元之间的数据交互，将无人机飞行模型仿真单元嵌入系统中，实现最大程度接近真机的模拟。测试说明，使用基于模块化组合通用测试仪器系统的无人机系统测试平台对无人机单元模拟测试，通过组合模块化组件的方式搭建无人机测试软件，说明无人机系统测试平台能够与不同硬件通讯接口和软件通讯协议的无人机系统单元进展通讯，验证了无人机系统测试应用通讯协议的有效性。本文所提出的模拟方案不但可以用于总体系统的开发和调试，同时对无人机自身的研制、测试等也供应了一个重要的平台。