在我們開(kāi)發(fā)的RUAV航空電子系統組件中，使用CompactRIO作為飛行計算機，因為它有著(zhù)可靠且可重新配置的構架。

  　The Challenge:

　　為博洛尼亞大學(xué)(UNIBO)的旋翼式無(wú)人飛行器(RUAV)平臺開(kāi)發(fā)硬件在環(huán)測試臺，它能夠對實(shí)際的UAV系統進(jìn)行模擬，用于進(jìn)行安全無(wú)風(fēng)險的飛行前測試。

　　The Solution:

　　使用NI CompactRIO和LabVIEW FPGA 模塊開(kāi)發(fā)集成的模塊化HIL仿真系統。

　　"CompactRIO和HIL仿真器可以快速而便捷的進(jìn)行編程。它們還可以加速軟硬件的開(kāi)發(fā)和整合。"

　　無(wú)人駕駛飛行器在民用和軍用的許多領(lǐng)域中，是一個(gè)很有前景的低成本選擇。相比傳統的飛行器，無(wú)人飛行器可以提供更低的運行成本和顯著(zhù)的人員安全優(yōu)勢（特別是枯燥、骯臟和危險的任務(wù)）。近幾年來(lái)，我們開(kāi)展了若干個(gè)民用的固定機翼或旋翼式UAV平臺的研究項目。

　　為了開(kāi)發(fā)出這種類(lèi)型的平臺，我們需要新的航空電子系統，能夠使直升機保持在穩定的高度并按照需要的軌跡飛行。該航空電子設備系統包含傳感器、計算機和數據通信硬件，以及對飛行器進(jìn)行導航和控制的軟件。RUAV航空電子系統的開(kāi)發(fā)，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(dòng)隔離等廣泛領(lǐng)域。傳統的RUAV項目使用機載電子設備，需要雇傭大量的專(zhuān)業(yè)技術(shù)人員進(jìn)行系統的裝配和測試，這增加開(kāi)發(fā)的時(shí)間成本。

　　在我們開(kāi)發(fā)的RUAV航空電子系統組件中，使用CompactRIO作為飛行計算機，因為它有著(zhù)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開(kāi)發(fā)同時(shí)進(jìn)行的是，在LabVIEW環(huán)境中開(kāi)發(fā)模塊化半實(shí)物測試平臺，用于安全無(wú)風(fēng)險的飛行前測試。CompactRIO和HIL仿真器可以快速而便捷的進(jìn)行編程。它們還可以加速軟硬件的開(kāi)發(fā)和整合。

　　硬件和系統構架

　　RUAV系統的開(kāi)發(fā)通常使用下面的方法： 

　　硬件選型和系統建立

　　設計傳感器采集軟件和控制系統

　　開(kāi)發(fā)半實(shí)物測試臺，對機載硬軟件進(jìn)行無(wú)風(fēng)險的地面測試

　　最終的自主飛行實(shí)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(jìn)行了改裝來(lái)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(cháng)的玻璃纖維槳葉、更長(cháng)的尾桁和尾槳。

　　同時(shí)，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CompactRIO上的控制算法生成PWM執行器信號。此系統利用數字輸入模塊NI 9411管理RS232協(xié)議，從Crossbow NAV420 AHRS (航姿系統) 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(fā)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(xié)議，采集聲納傳感器的高度信息；從現場(chǎng)可編程門(mén)陣列（FPGA）接收傳感器信息并記錄所有的飛行數據，同時(shí)管理與地面控制臺的無(wú)線(xiàn)以太網(wǎng)通信。

　　我們開(kāi)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(shí)時(shí)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(jìn)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(jué)系統計算機，用于重現直升機飛行時(shí)的虛擬景色。視覺(jué)系統可以通過(guò)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(gè)RUAV系統和HIL仿真器。這兩段軟件有著(zhù)典型的CompactRIO應用設計構架。

　　在實(shí)際的RUAV系統中，FPGA代碼使用四個(gè)不同的傳感器讀寫(xiě)循環(huán)和1個(gè)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(xiě)循環(huán)將PWM命令發(fā)送到直升機的主旋翼、尾旋翼和伺服執行器，完成預定義的飛行動(dòng)作。第一個(gè)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數字輸入管理RS232協(xié)議，確保確定性數據采集。第二個(gè)讀取循環(huán)管理PWM命令數據采集。另一個(gè)讀寫(xiě)循環(huán)用于采集聲納傳感器數據并管理I2C協(xié)議。

　　我們使用CompactRIO實(shí)時(shí)軟件進(jìn)行FPGA數據采集、機載飛行數據記錄及與地面控制站的無(wú)線(xiàn)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(shí)，在Windows OS中使用LabVIEW開(kāi)發(fā)了地面控制臺軟件。

　　遠程圖形化用戶(hù)界面包含兩個(gè)窗口：虛擬駕駛艙和用于實(shí)時(shí)顯示飛行數據信息的遙感勘測窗口。我們使用ActiveX控件開(kāi)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(shí)際RUAV系統運行的FPGA代碼是相同的。在模擬計算機上運行的代碼包含三個(gè)主要部分：仿真循環(huán)，它包含了使用LabVIEW Control Design and Simulation Module開(kāi)發(fā)的直升機仿真模型；串口寫(xiě)循環(huán)，用于根據直升機仿真循環(huán)的狀態(tài)信息，模擬Crossbow NAV 420的RS232輸出；運行LabVIEW實(shí)時(shí)軟件的CompactRIO系統，它與實(shí)際運行在GCS計算機的軟件是相同的。

　　直升機仿真器和實(shí)時(shí)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，所有的配置數據流與自動(dòng)飛行的設定都是相同的。在這種情況下，經(jīng)過(guò)大量的地面安全仿真，我們在進(jìn)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(kāi)發(fā)硬件在環(huán)仿真器

　　我們進(jìn)行了HIL仿真和試飛，來(lái)測試使用選定的硬件和開(kāi)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(kāi)發(fā)的HIL模擬器作為RUAV系統的地面安全測試臺是十分可行的。

　　在將來(lái)，我們將對仿真平臺做進(jìn)一步的改進(jìn)。我們將在HIL仿真器上實(shí)現更為復雜的動(dòng)力學(xué)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。