将HIL应用于无人机制导、导航与控制

　　挑战:

　　在目标硬件上搭建一个系统，在实时控制仿真环境中，来验证无人飞机(UAV)的制导、导航和控制(GNC)算法。

　　解决方案:

　　在开发的早期阶段，开发一个硬件在环(HIL)测试环境来测试无人机GNC解决方案。

　　HIL测试环境是软件仿真和飞机实验的一个中间步骤，对于无人机GNC软件的开发过程非常关键。通过HIL环境，工程师可以在一个可控的仿真环境中对无人机软件进行测试。同时，它也能加速设计，缩短开发周期。

　　通过HIL环境，工程师可以发觉软件仿真(主要是同步和定时)中没有出现的问题，从而避免现场试验的故障，并增加无人机团队的安全性。

　　我们开发了一个通用的HIL平台来设计验证控制和导航算法。这个HIL测试环境完全集成在一个基于模型的设计开发周期中(见图1)。　　

 

　　基于模型的开发

　　首先我们设计编改了无人机平台，将其用于仿真，并将控制器和算法部署至硬件中。

　　我们根据基于模型的设计理念来完成这个任务。对于系统设计和仿真来说这是一个可靠方便的方法。使用代码自动生成工具可以使我们减少设计时间，轻松完成对于测试架构的重复利用，以及快速系统原型，从而形成一个连续的确认和验证过程。

　　构架的目的包括：在不同的硬件平台上不用任何改变即可对模型重复利用;对设计测试套件模型进行重复使用以验证目标系统;将透明模型完全集成到目标硬件中，并创建一个系统的，快速的流程，将自动生成的代码集成到目标硬件，从而使得控制工程师无需软件工程师的参与，即可以快速测试模型(见图2)。　　

 

　　对于这个项目，我们使用Simulink®公司的MathWorks软件(我们还使用了Esterel Technologies公司的SCADE套件)开发了模型任务，并使用MathWorks和Real-Time Workshop®公司的软件实现自动编码。我们需要两次不同的编改：在无人机中进行测试及执行的算法是由ANSI C代码编写的，仿真无人机动态行为的数学模型将通过LabVIEW仿真接口工具包转换至NI LabVIEW软件动态库中。

　　在最终的系统中，我们使用多个LabVIEW I/O模块来仿真一些无人机航空电子和逻辑传感器以及激励器接口。

　　LabVIEW Real-Time PXI

　　PXI 是一个基于PC的平台，可用于测试，测量和控制，能够在不同的接口和总线中提供高带宽和超低的执行延时。在这个案例中，PXI需要在一个复杂的无人机模型中运行，该模型会在实时中以动态库的形式被执行。 在系统中使用PXI模块能让我们使用无人机上完全一样的接口进行HIL仿真。所以，我们会以现场实验完全相同的配置验证GNC算法处理单元。这对于一些使用纯仿真不足以捕捉所有硬件相关问题(例如信号噪音，错误和同步问题)的系统来说是十分重要的。

　　GPS仿真器

　　通过Spirent GSS8000 GPS仿真器，我们能够仿真并生成用户选择的GNSS星座卫星所发出的相同的射频信号。这些信号会以飞行实验相同的方式传送到无人机上真实的GPS传感器，并能仿真惯性传感器(加速度计和回转仪)。我们可以指定不同的情况，降级信号，指定天线模式及模拟IMU传感器错误。