無(wu)人(ren)駕(jia)駛(shi)飛(fei)行(xing)器(qi)在(zai)民(min)用(yong)和(he)軍(jun)用(yong)的(de)許(xu)多(duo)領(ling)域(yu)中(zhong)，是(shi)一(yi)個(ge)很(hen)有(you)前(qian)景(jing)的(de)低(di)成(cheng)本(ben)選(xuan)擇(ze)。相(xiang)比(bi)傳(chuan)統(tong)的(de)飛(fei)行(xing)器(qi)，無(wu)人(ren)飛(fei)行(xing)器(qi)可(ke)以(yi)提(ti)供(gong)更(geng)低(di)的(de)運(yun)行(xing)成(cheng)本(ben)和(he)顯(xian)著(zhu)的(de)人(ren)員(yuan)安(an)全(quan)優(you)勢(shi)（特別是枯燥、肮髒和危險的任務）。近幾年來，我們開展了若幹個民用的固定機翼或旋翼式UAV平台的研究項目。
為(wei)了(le)開(kai)發(fa)出(chu)這(zhe)種(zhong)類(lei)型(xing)的(de)平(ping)台(tai)，我(wo)們(men)需(xu)要(yao)新(xin)的(de)航(hang)空(kong)電(dian)子(zi)係(xi)統(tong)，能(neng)夠(gou)使(shi)直(zhi)升(sheng)機(ji)保(bao)持(chi)在(zai)穩(wen)定(ding)的(de)高(gao)度(du)並(bing)按(an)照(zhao)需(xu)要(yao)的(de)軌(gui)跡(ji)飛(fei)行(xing)。該(gai)航(hang)空(kong)電(dian)子(zi)設(she)備(bei)係(xi)統(tong)包(bao)含(han)傳(chuan)感(gan)器(qi)、計算機和數據通信硬件，以及對飛行器進行導航和控製的軟件。RUAV航空電子係統的開發，需要涉及到微電子、數據通信、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。傳統的RUAV項目使用機載電子設備，需要雇傭大量的專業技術人員進行係統的裝配和測試，這增加開發的時間成本。
在我們開發的RUAV航空電子係統組件中，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。
與直升機平台建造及航空電子係統開發同時進行的是，在LabVIEW環境中開發模塊化半實物測試平台，用於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和整合。
硬件和係統構架
RUAV係統的開發通常使用下麵的方法：
- 硬件選型和係統建立
- 設計傳感器采集軟件和控製係統
- 開發半實物測試台，對機載硬軟件進行無風險的地麵測試
- 最終的自主飛行實驗測試
我們的RUAV平台由Hirobo60業餘直升機組成，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，用於采集傳感器信息，並且根據CompactRIO上的控製算法生成PWM執行器信號。此係統利用數字輸入模塊NI 9411管理RS232協議，從Crossbow NAV420 AHRS (航姿係統) 接收飛行數據信息；分別利用數字輸入模塊NI 9411和數字輸出模塊NI 9474，接收和發送PWM執行器信號；利用數字輸入模塊NI 9411和數字輸出模塊NI 9474管理I2C協議，采集聲納傳感器的高度信息；從現場可編程門陣列（FPGA）接收傳感器信息並記錄所有的飛行數據，同時管理與地麵控製台的無線以太網通信。
我們開發的HIL測試台在測試環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，並使用TCP/IP協議與模擬計算機進行通信的地麵控製台(GCS)計算機。
- 還可以選擇性地添加OpenGL視覺係統計算機，用於重現直升機飛行時的虛擬景色。視覺係統可以通過TCP/IP協議從GCS計算機接收輸入。
HIL仿真器軟件
LabVIEW代碼管理整個RUAV係統和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係統中，FPGA代碼使用四個不同的傳感器讀寫循環和1個比例-積分-微分（PID）控製循環用於直升機的控製。PID循環是50Hz的閉環。寫循環將PWM命令發送到直升機的主旋翼、尾旋翼和伺服執行器，完成預定義的飛行動作。第一個讀取循環使用RS232協議，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數字輸入管理RS232協議，確保確定性數據采集。第二個讀取循環管理PWM命令數據采集。另一個讀寫循環用於采集聲納傳感器數據並管理I2C協議。
我們使用CompactRIO實時軟件進行FPGA數據采集、機載飛行數據記錄及與地麵控製站的無線以太網通信。為了管理地麵控製台的通信，我們使用了LabVIEW Real-Time Communication Wizard。同時，在Windows OS中使用LabVIEW開發了地麵控製台軟件。
遠程圖形化用戶界麵包含兩個窗口：虛擬駕駛艙和用於實時顯示飛行數據信息的遙感勘測窗口。我們使用ActiveX控件開發了虛擬駕駛艙，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和係統警告等。
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係統運行的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，它包含了使用LabVIEW Control Design and Simulation Module開發的直升機仿真模型；串口寫循環，用於根據直升機仿真循環的狀態信息，模擬Crossbow NAV 420的RS232輸出；運行LabVIEW實時軟件的CompactRIO係統，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。這種設定的結果就是機載計算機“認為”正zheng在zai控kong製zhi飛fei行xing器qi，所suo有you的de配pei置zhi數shu據ju流liu與yu自zi動dong飛fei行xing的de設she定ding都dou是shi相xiang同tong的de。在zai這zhe種zhong情qing況kuang下xia，經jing過guo大da量liang的de地di麵mian安an全quan仿fang真zhen，我wo們men在zai進jin行xing飛fei行xing測ce試shi前qian就jiu可ke以yi了le解jie機ji載zai軟ruan件jian的de性xing能neng和he可ke能neng的de缺que陷xian。
成功開發硬件在環仿真器
我們進行了HIL仿真和試飛，來測試使用選定的硬件和開發的軟件用於直升機控製的可行性。仿真和試飛結果的比較表明，使用開發的HIL模擬器作為RUAV係統的地麵安全測試台是十分可行的。
在將來，我們將對仿真平台做進一步的改進。我們將在HIL仿真器上實現更為複雜的動力學模型，包含更精確的飛行傳感器模型。與RUAV平台一起，這些仿真環境提供了有效的測試平台，用於安全地麵飛行前測試或研究不同的控製和導航策略。
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關於NI
美國國家儀器有限公司（National Instruments，簡稱NI）致力於為測試測量、自動化和嵌入式應用領域的工程師和科學家們帶來革命性的理念，從“虛擬儀器技術”提升到“圖形化係統設計”，幫助他們實現更高效和優化的設計、原型到發布。NI為遍布全球各地的25000家不同的客戶提供現成即用的軟件（如NI LabVIEW圖形化開發平台），和高性價比的模塊化硬件。NI總部設在美國德克薩斯州的奧斯汀，在近40個國家和地區設有分支機構，共擁有5,000多名員工。在過去連續9年裏，NI被《財富》雜誌評選為“全美最適合工作的100家公司之一”。想了解更多關於NI的信息，請訪問ni.com/china，或致電800-820-3622。
