無人駕駛飛行器在民用和軍用的許多領域中,，是一個很有前景的低成本選擇。相比傳統(tǒng)的飛行器,，無人飛行器可以提供更低的運行成本和顯著的人員安全優(yōu)勢（特別是枯燥,、骯臟和危險的任務）。近幾年來,，我們開展了若干個民用的固定機翼或旋翼式UAV平臺的研究項目,。
為了開發(fā)出這種類型的平臺,，我們需要新的航空電子系統(tǒng)，能夠使直升機保持在穩(wěn)定的高度并按照需要的軌跡飛行,。該航空電子設備系統(tǒng)包含傳感器,、計算機和數(shù)據(jù)通信硬件，以及對飛行器進行導航和控制的軟件,。RUAV航空電子系統(tǒng)的開發(fā),，需要涉及到微電子、數(shù)據(jù)通信,、電子集成,、安裝和編程、濾波器設計,、信號調理及振動隔離等廣泛領域,。傳統(tǒng)的RUAV項目使用機載電子設備，需要雇傭大量的專業(yè)技術人員進行系統(tǒng)的裝配和測試,，這增加開發(fā)的時間成本,。
在我們開發(fā)的RUAV航空電子系統(tǒng)組件中，使用CompactRIO作為飛行計算機,，因為它有著可靠且可重新配置的構架,，可以快速而便捷地集成不同的I/O硬件和傳感器。
與直升機平臺建造及航空電子系統(tǒng)開發(fā)同時進行的是,，在LabVIEW環(huán)境中開發(fā)模塊化半實物測試平臺,，用于安全無風險的飛行前測試。CompactRIO和HIL仿真器可以快速而便捷的進行編程,。它們還可以加速軟硬件的開發(fā)和整合,。
硬件和系統(tǒng)構架
RUAV系統(tǒng)的開發(fā)通常使用下面的方法：
- 硬件選型和系統(tǒng)建立
- 設計傳感器采集軟件和控制系統(tǒng)
- 開發(fā)半實物測試臺，對機載硬軟件進行無風險的地面測試
- 最終的自主飛行實驗測試
我們的RUAV平臺由Hirobo60業(yè)余直升機組成,，我們對直升機進行了改裝來裝載航空電子硬件,。為了提高直升機的載重能力，我們還安裝了更為強大的引擎,、更長的玻璃纖維槳葉,、更長的尾桁和尾槳。
同時,，我們使用CompactRIO硬件作為飛行計算機,，用于采集傳感器信息，并且根據(jù)CompactRIO上的控制算法生成PWM執(zhí)行器信號,。此系統(tǒng)利用數(shù)字輸入模塊NI 9411管理RS232協(xié)議,，從Crossbow NAV420 AHRS (航姿系統(tǒng)) 接收飛行數(shù)據(jù)信息；分別利用數(shù)字輸入模塊NI 9411和數(shù)字輸出模塊NI 9474，接收和發(fā)送PWM執(zhí)行器信號,；利用數(shù)字輸入模塊NI 9411和數(shù)字輸出模塊NI 9474管理I2C協(xié)議,，采集聲納傳感器的高度信息；從現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA）接收傳感器信息并記錄所有的飛行數(shù)據(jù),，同時管理與地面控制臺的無線以太網(wǎng)通信,。
我們開發(fā)的HIL測試臺在測試環(huán)中包含了盡可能多的飛行器硬件：
- 運行機載軟件的飛行計算機等效硬件。我們使用了NI PXI-7831R與計算機的通信,。利用FPGA接口卡模擬CompactRIO實時計算機。
- 模擬直升機單元和機載傳感器輸出的計算機,。
- 包含了真正的GCS源代碼,，并使用TCP/IP協(xié)議與模擬計算機進行通信的地面控制臺(GCS)計算機。
- 還可以選擇性地添加OpenGL視覺系統(tǒng)計算機,，用于重現(xiàn)直升機飛行時的虛擬景色,。視覺系統(tǒng)可以通過TCP/IP協(xié)議從GCS計算機接收輸入。
HIL仿真器軟件
LabVIEW代碼管理整個RUAV系統(tǒng)和HIL仿真器,。這兩段軟件有著典型的CompactRIO應用設計構架,。
在實際的RUAV系統(tǒng)中，F(xiàn)PGA代碼使用四個不同的傳感器讀寫循環(huán)和1個比例-積分-微分（PID）控制循環(huán)用于直升機的控制,。PID循環(huán)是50Hz的閉環(huán),。寫循環(huán)將PWM命令發(fā)送到直升機的主旋翼、尾旋翼和伺服執(zhí)行器,，完成預定義的飛行動作,。第一個讀取循環(huán)使用RS232協(xié)議，從Crossbow NAV 420處獲得直升機的高度,、角速度,、速度和GPS位置，我們使用FPGA數(shù)字輸入管理RS232協(xié)議,，確保確定性數(shù)據(jù)采集,。第二個讀取循環(huán)管理PWM命令數(shù)據(jù)采集。另一個讀寫循環(huán)用于采集聲納傳感器數(shù)據(jù)并管理I2C協(xié)議,。
我們使用CompactRIO實時軟件進行FPGA數(shù)據(jù)采集,、機載飛行數(shù)據(jù)記錄及與地面控制站的無線以太網(wǎng)通信。為了管理地面控制臺的通信,，我們使用了LabVIEW Real-Time Communication Wizard,。同時，在Windows OS中使用LabVIEW開發(fā)了地面控制臺軟件,。
遠程圖形化用戶界面包含兩個窗口：虛擬駕駛艙和用于實時顯示飛行數(shù)據(jù)信息的遙感勘測窗口,。我們使用ActiveX控件開發(fā)了虛擬駕駛艙，就像Global Majic軟件公司的飛行器儀器那樣。我們還可以使用額外的信息,，如GPS和慣性測量單元的狀態(tài)和系統(tǒng)警告等,。
HIL仿真器中的等效代碼包含了運行在NI PXI-7831R上的FPGA代碼，它與實際RUAV系統(tǒng)運行的FPGA代碼是相同的,。在模擬計算機上運行的代碼包含三個主要部分：仿真循環(huán),，它包含了使用LabVIEW Control Design and Simulation Module開發(fā)的直升機仿真模型；串口寫循環(huán),，用于根據(jù)直升機仿真循環(huán)的狀態(tài)信息,，模擬Crossbow NAV 420的RS232輸出；運行LabVIEW實時軟件的CompactRIO系統(tǒng),，它與實際運行在GCS計算機的軟件是相同的,。
直升機仿真器和實時代碼運行在相同的機器上，這是因為所有的源代碼都使用了獨立的循環(huán),。這種設定的結果就是機載計算機“認為”正在控制飛行器,，所有的配置數(shù)據(jù)流與自動飛行的設定都是相同的。在這種情況下,，經過大量的地面安全仿真,，我們在進行飛行測試前就可以了解機載軟件的性能和可能的缺陷。
成功開發(fā)硬件在環(huán)仿真器
我們進行了HIL仿真和試飛,，來測試使用選定的硬件和開發(fā)的軟件用于直升機控制的可行性,。仿真和試飛結果的比較表明，使用開發(fā)的HIL模擬器作為RUAV系統(tǒng)的地面安全測試臺是十分可行的,。
在將來,，我們將對仿真平臺做進一步的改進。我們將在HIL仿真器上實現(xiàn)更為復雜的動力學模型,，包含更精確的飛行傳感器模型,。與RUAV平臺一起，這些仿真環(huán)境提供了有效的測試平臺,，用于安全地面飛行前測試或研究不同的控制和導航策略,。