[发明专利]具有故障诊断能力无人直升机的飞控仿真系统

摘要

具有故障诊断能力无人直升机的飞控仿真系统，是由仿真总控台、仿真计算机、飞控管理系统、传感器系统、物理效应设备、伺服系统、遥控遥测系统和任务载荷系统组成。仿真总控台控制仿真计算机开机检测、模型生成及注入故障模型；仿真计算机选定仿真、干扰模型以及虚拟故障注入进行飞行仿真；飞控管理系统接收传感器和遥控遥测系统的信息；伺服系统实现操纵机构的真实反应；传感器系统将获得的传感器信息传递给飞控管理系统。本发明中的仿真计算机可嵌入不同的飞行器数学模型，因此可实现多种飞行器的仿真。本发明中的伺服系统、传感器系统，可将真实的飞行器舵机、传感器接入，以供研制、试飞飞行器的舵机、传感器工作检测。

主权项

具有故障诊断能力无人直升机的飞控仿真系统，其特征在于：该系统是由仿真总控台、仿真计算机、飞控管理系统、传感器系统、物理效应设备、伺服系统、遥控遥测系统和任务载荷系统组成；它们相互之间的关系如下：仿真总控台控制仿真计算机开机检测、模型生成及注入故障模型，仿真总控台控制飞控管理系统开机检测并实时检测飞控管理系统的工作状态，仿真总控台控制物理效应设备开机检测，设定飞行任务和飞行条件以及生成各种飞行干扰条件；仿真计算机按照仿真总控台的指令选定仿真模型、干扰模型以及虚拟故障注入，仿真计算机接收飞控管理系统传感器信息、飞控指令和伺服系统的操纵信号进行飞行仿真，实时飞行仿真的结果发送到物理效应设备并且返回到仿真总控台；飞控管理系统接收传感器系统的飞行传感器信息和遥控遥测系统的遥控信息，按照仿真总控台的飞行任务得到导航控制信息，发送到仿真计算机和伺服系统；伺服系统接收飞控管理系统的导航控制信息，实现舵机和操纵机构的真实操纵；传感器系统结合物理效应设备将获得的传感器信息传递给飞控管理系统；物理效应设备根据仿真计算机的仿真结果，模拟飞行器飞行状态；1)所述仿真总控台是由仿真总控程序和各种通信接口组成，仿真总控程序控制整个仿真系统的运行，通信接口则保证了仿真总控台和其他模块的通信连接，将仿真总控程序的数据向其他模块传递；在试飞前向飞控管理系统加载飞行任务，控制各个系统的检测过程，实时记录并监测仿真计算机的仿真飞行状态；该仿真总控程序的结构采用树状结构，根节点是用户控制节点，其次是无人飞行器类型选择，包含固定翼和直升机，接着是任务选择和参数注入，然后是飞行仿真，最后是仿真结果的分析和统计；其交互界面有三部分：一为飞行航迹仿真画面，包括飞行器的经、纬度，高度，飞行速度信息，处于飞行任务某个航段；其二为飞行器实时的三维动态显示；第三为遥测参数显示，包括GPS数据、舵机操纵量、发动机转速、发动机温度和各种故障报警；该通信接口包含仿真系统硬件涉及的各种通信接口形式；2)所述仿真计算机是仿真系统的核心，仿真计算机是要求能运行无人直升机导航仿真器的计算机，按照实际需要自行设计，也能选用现有产品；这里采用X86及X64架构的CPU，具备计算机主机、显示器、键盘和以太网集线器各部件；该无人直升机导航仿真器基于Windows平台、用VC++技术开发，将直升机数学模型嵌入其中，实时运行；直升机数学模型越复杂，阶数越高，对硬件要求也越高；同时还应考虑系统具有丰富的接口板卡能够选择，以供其他环节数据输入输出；具有良好的界面可视性和人机交互能力；仿真计算机能采用dSPACE及RT‑LAB的实时仿真系统软硬件产品，dSPACE为一套基于MATLAB/Simulink的控制系统开发及半实物仿真的软硬件工作平台，RT‑LAB为一套工业级系统实时仿真平台软件包，它们均能很好地支持MATLAB/Simulink、C及C++；3)所述飞控管理系统是本发明飞控仿真系统重点检测的部件，飞控管理系统由飞控计算机和管理计算机组成；它们之间的相互关系是：管理计算机根据从仿真总控台加载飞行任务、传感器信息以及遥控遥测信息得到导航控制律并传递给飞控计算机，飞控计算机用于运行控制内回路的控制律，经过解算得到导航操纵信号，实现对无人直升机的综合控制；该飞控计算机主要由主机板、输入接口板、输出接口板、计数器板以及电源板构成；它是按照实际需要自行设计，也能选用现有产品；其输入接口板接收各种传感器的数据并对数据进行处理，形成通用标准格式；主机板运行飞行控制程序，根据输入的各种信息，形成控制指令；输出接口板接收主机板的控制指令，转换成伺服系统需要的信号形式，发送给伺服系统；该管理计算机为一台X86及X64架构的CPU的计算机，也能使用一台实时仿真计算机代替；该实时仿真计算机硬件要求同前述仿真计算机类似；4)所述传感器系统包括无人直升机上用到的所有传感器；包括垂直陀螺、GPS/INS组合、大气数据机、无线电高度表、温度传感器、发动机转速传感器和油量传感器；它们之间是并列的关系；这些传感器信息是由真实的设备生成，亦能由数字模拟生成，所述传感器系统所得到的传感器信息通过真实物理接口与飞控计算机连接；该垂直陀螺由3个相互垂直的陀螺仪和加速度计组成，采用现有成品；该GPS/INS组合为GPS及惯性导航组合导航设备，此处的技术要求其能跟踪至少6颗GPS卫星，测量卫星的伪距和伪距率，解算出接收机的经度、纬度、高度等信息和接收机的定位状态及定位精度；NavsymmRXR5M12型GPS接收机是一个12通道的C/A码接收机，能同时跟踪8颗GPS卫星，该型及同级别的接收机能够满足使用要求；该大气数据机主要用来测量飞行器的绝对高度、指示空速、真空速、大气总温、升降速度各参数；国产的XSC‑3F型大气数据机能够满足使用要求；亦能采用其改进型和同一水平的大气数据机；该无线电高度表采用国产的GT‑XX型无线电高度表；该温度传感器是用来测量飞行器的大气静温、大气总温数据，使用单独的温度传感器，也能集成在大气数据机中；该国产的XSC‑3F型大气数据机中集成了大气静温和大气总温的测量输出；该发动机转速传感器是能够测量发动机实时转速的传感器，采用电磁式和光电式传感器中的一种；该油量传感器是能够测量油箱流量的传感器，是电容式和流量式中的一种，它是按照实际需要选用现有产品；5)所述物理效应设备是由三轴转台和动静压模拟设备组成；它们之间是并列关系，且均和仿真计算机相连；三轴转台根据仿真机的控制命令，进行无人直升机姿态的模拟运动；姿态陀螺、角速度陀螺、GPS/INS组合放在三轴转台上面；大气数据传感器连接在动、静压模拟设备上；动、静压模拟设备根据仿真计算机输出的高度与空速，模拟大气压力的变化，使大气数据机产生相应的气压高度、空速值和升降速度；该三轴转台采用国产的高精度三轴转台；该动静压模拟设备即为大气模拟机；大气模拟机用于模拟无人直升机大气测量系统所需的静动压信号，仿真计算机将计算得到的气压高度和空速信号通过ARINC429总线发送到大气模拟机，生成两路静压和动压信号，通过气路传递到大气数据机；该动静压模拟设备是自主设计，也能按照实际需要选用现有产品；6)所述伺服系统即为无人直升机上的伺服舵机，该伺服系统包括：纵向舵机、横向舵机、航向即尾桨舵机、总距舵机、油门舵机；所述各个舵机接收飞控计算机发出的操纵信号，相互独立；该伺服系统所属的各个舵机是自主设计，也能按照实际需要选用现有产品；其中纵向舵机、横向舵机、总距舵机采用的是直线式舵机；航向舵机和油门舵机采用的是转角式舵机；7)所述遥控遥测系统包含无人直升机地面遥控站和主要机载通讯设备，将实际安装的遥控、遥测设备安装在仿真环境里；能检验飞控计算机对遥控指令的响应情况，同时能进行遥控飞行训练；该无人直升机地面遥控站包括载运车、任务规划与加载台、无线通信设备与天线；它是自主设计，也能按照实际需要选用现有产品；该机载通讯设备是机载的信号接收天线和信号处理单元，是和前述地面遥控站配套使用的；该机载通讯设备是自主设计，也能按照实际需要选用现有产品；8)所述任务载荷系统主要为任务载荷数据模拟；针对不同任务载荷，生成并仿真不同的任务载荷数据模拟；其做法如下：对于视频侦查设备，需要模拟侦查摄像机的周向运动、俯仰运动以及变换视场的指令；对于连续投放载荷，需要模拟投放指令、保持指令以及停止投放指令；该任务载荷系统是自主设计，也能按照实际需要选用现有产品。