專利名稱：無(wú)人共軸直升機(jī)自主導(dǎo)航系統(tǒng)半實(shí)物仿真技術(shù)裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種仿真技術(shù)裝置，尤其涉及一種無(wú)人共軸直升機(jī)自主導(dǎo)航系統(tǒng)半實(shí) 物仿真技術(shù)裝置，屬于無(wú)人直升機(jī)導(dǎo)航與控制技術(shù)領(lǐng)域。
(二)
背景技術(shù)：
半實(shí)物，亦稱半物理或硬件在回路中(HIL-- Hardware-in-the-loop)仿真，在先進(jìn)無(wú) 人飛行器的研發(fā)中具有重要的工程意義。研究相應(yīng)的仿真技術(shù)和建設(shè)相應(yīng)的仿真環(huán)境， 是設(shè)計(jì)開發(fā)無(wú)人直升機(jī)飛行控制/導(dǎo)航系統(tǒng)不可缺少的物質(zhì)技術(shù)手段。
不同于數(shù)學(xué)仿真，半實(shí)物仿真的主要特征，是在飛機(jī)大系統(tǒng)中，作為仿真研究主要 對(duì)象的某些組成部分是飛機(jī)中的實(shí)際物理裝置。這些實(shí)物裝置可以分別是單獨(dú)的飛行管 理系統(tǒng)、飛行控制系統(tǒng)、導(dǎo)航系統(tǒng)和航空電子系統(tǒng)或它們的組合。
目前無(wú)人飛行器半實(shí)物仿真中的實(shí)物研究對(duì)象，主要是飛控系統(tǒng)。研究目的是考核 飛機(jī)的穩(wěn)定性和操縱性。主要仿真設(shè)備是三軸飛行模擬轉(zhuǎn)臺(tái)和鐵鳥試驗(yàn)臺(tái)，這些設(shè)備極 其復(fù)雜昂貴。而以真實(shí)導(dǎo)航系統(tǒng)(裝置)為單一研究對(duì)象的半實(shí)物仿真技術(shù)，至今未見(jiàn) 諸于已公開的專利或文獻(xiàn)。

實(shí)用新型內(nèi)容
本實(shí)用新型的目的是提供一種無(wú)人共軸直升機(jī)自主導(dǎo)航系統(tǒng)半實(shí)物仿真技術(shù)裝置， 該裝置克服了現(xiàn)有技術(shù)的不足，它是采用了基于普通PC計(jì)算機(jī)的實(shí)時(shí)仿真技術(shù)，因而 所創(chuàng)建的半實(shí)物仿真環(huán)境結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、效益好。而不象現(xiàn)有的某些實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng) 那樣，需要配置高性能的仿真計(jì)算機(jī)、復(fù)雜的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)、專門的仿真工具軟件以及 大型的仿真試驗(yàn)設(shè)備。 '
本實(shí)用新型具有下列功能(a)創(chuàng)建導(dǎo)航系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境，(b)驗(yàn)證導(dǎo)航系統(tǒng)功能/性 能，(c)檢驗(yàn)導(dǎo)航計(jì)算機(jī)接口與交聯(lián)關(guān)系，(d)暴露和診斷計(jì)算機(jī)故障，(e)考核和評(píng)估 計(jì)算機(jī)產(chǎn)品。
本實(shí)用新型的技術(shù)方案是這樣實(shí)現(xiàn)的 一種無(wú)人共軸直升機(jī)自主導(dǎo)航系統(tǒng)半實(shí)物仿
真技術(shù)裝置，它由機(jī)載導(dǎo)航計(jì)算機(jī)l，導(dǎo)航分線盒2，導(dǎo)航控制顯示器3，和導(dǎo)航仿真器 4，共四個(gè)部分組成。其中，機(jī)載導(dǎo)航計(jì)算機(jī)1通過(guò)導(dǎo)航分線盒2與導(dǎo)航仿真器4交聯(lián)， 以形成無(wú)人直升機(jī)自主導(dǎo)航仿真回路；同時(shí)，機(jī)載導(dǎo)航計(jì)算機(jī)1通過(guò)導(dǎo)航分線盒2也與導(dǎo)航控制顯示器3交聯(lián)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)載導(dǎo)航計(jì)算機(jī)1的控制與卿試。
本實(shí)用新型中的仿真研究對(duì)象——機(jī)載導(dǎo)航計(jì)算機(jī)1，具有PC/104嵌入式工業(yè)個(gè)人 計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)。其特點(diǎn)是緊湊的棧接結(jié)構(gòu)、外圍模塊豐富、組態(tài)靈活、功耗低、可 靠性較高，又因與通用PC/AT兼容，易于開發(fā)。該導(dǎo)航計(jì)算機(jī)由6塊模板組成CPU板 (CM/P5e)、顯示板(mm/VFP)、模擬I/O板(MM-32)、串口通信板(HXL-10423)、計(jì)數(shù)器板 (MM-10)和電源板(MM-512-V512)。
機(jī)載導(dǎo)航計(jì)算機(jī)具有"地面測(cè)試"和"實(shí)時(shí)導(dǎo)航"兩種工作模式。在地面測(cè)試模式 中，可響應(yīng)來(lái)自外部"導(dǎo)航控制顯示器"3的控制，實(shí)現(xiàn)下列操作(a)機(jī)載導(dǎo)航計(jì)算 機(jī)自測(cè)試，(b)導(dǎo)航裝置在線測(cè)試，(c)橫/航向操縱仿真，(d)裝訂飛行航線數(shù)據(jù)，.(e) 遙控命令接收測(cè)試，(f)導(dǎo)航飛行仿真，(g)航后下載飛行記錄數(shù)據(jù)。"地面測(cè)試"模式結(jié) 束后，程序自動(dòng)進(jìn)入"實(shí)時(shí)導(dǎo)航"模式。實(shí)時(shí)導(dǎo)航是一個(gè)定時(shí)周期250ms的無(wú)限循環(huán)進(jìn) 程，在每個(gè)導(dǎo)航周期中程序執(zhí)行如下功能(a)大氣數(shù)據(jù)和磁航向信號(hào)采集，(b)GPS/INS 定位數(shù)據(jù)處理，(c)遙控命令處理，(d)航線管理/導(dǎo)航計(jì)算，(e)橫/航向操縱信號(hào)輸出，(f) 飛行/故障狀態(tài)監(jiān)測(cè)與記錄。
來(lái)自導(dǎo)航仿真器4的模擬輸入信號(hào)(航向正弦/余弦、俯仰角、真空速)經(jīng)導(dǎo)航分線 盒2，被送入機(jī)載導(dǎo)航計(jì)算機(jī)1中模擬I/O板的A/D各通道；而該板上的兩個(gè)D/A通道 輸出橫/航向操縱指令信號(hào)，其經(jīng)導(dǎo)航分線盒2被送至導(dǎo)航仿真器4。來(lái)自導(dǎo)航仿真器4 的GPS/INS定位數(shù)據(jù)和遙控命令數(shù)據(jù)，經(jīng)導(dǎo)航分線盒2分別被送入機(jī)載導(dǎo)航計(jì)算機(jī)1中 串行數(shù)據(jù)通信板上的兩個(gè)RS422串口。導(dǎo)航控制顯示器3，經(jīng)導(dǎo)航分線盒2與機(jī)載導(dǎo)航 計(jì)算機(jī)1的串行數(shù)據(jù)通是通過(guò)CPU主板上的RS232串口實(shí)現(xiàn)的。
本實(shí)用新型的核心裝置是導(dǎo)航f真器。其硬件為一臺(tái)PC計(jì)算機(jī)(操作系統(tǒng)Windows XP, ISA總線插槽3個(gè)，顯示器分辨率800x600以上)，其中配置有A/D模擬輸入卡
(PC-6360), ' D/A模擬輸出卡(KH-9211)以及串行數(shù)據(jù)通信卡(CI-132)各一塊。仿真應(yīng)用程序?yàn)?C++6.0面向?qū)ο蟮哪K化結(jié)構(gòu)。
導(dǎo)航仿真器，具有4種工作模式(a)初始測(cè)試，(b)任務(wù)設(shè)計(jì)，(c)飛行仿真，(d) 事后處理。點(diǎn)擊顯示器屏幕上的功能鍵可選擇進(jìn)入相應(yīng)的工作模式的界面。
"初始測(cè)試"模式執(zhí)行下列任務(wù)(a)串行數(shù)據(jù)通信口 (RS422)測(cè)試，含串口A(輸 出定位信息)和串口B (輸出遙控命令)；(b)模擬輸出口 (D/A)測(cè)試，含CH1 (空速)， CH2 (航向正弦)，CH3 (航向余弦)，CH4 (俯仰角)；(c)模擬輸入口 (A/D)測(cè)試， 含CH1 (橫向操縱指令)，CH2 (航向操縱指令)。
"任務(wù)設(shè)計(jì)"模式實(shí)現(xiàn)下列功能(a)仿真任務(wù)初始化，包括設(shè)置飛機(jī)初始飛行狀態(tài) (位置、高度、速度、航向、姿態(tài))，基準(zhǔn)點(diǎn)大地坐標(biāo)(經(jīng)緯度、高度)以及干擾條件(RMS 定位誤差、常值風(fēng)與大氣紊流)以及選擇導(dǎo)航仿真方式(數(shù)學(xué)或半實(shí)物)。(b)飛行航線 規(guī)劃，包括航路點(diǎn)(WGS84大地坐標(biāo))設(shè)置，航段設(shè)置，航段參數(shù)(長(zhǎng)度、方位)計(jì)算以及航線設(shè)計(jì)與選擇。
"飛行仿真"模式具有兩種子模式數(shù)學(xué)導(dǎo)航飛行仿真和半實(shí)物導(dǎo)航飛行仿真。在運(yùn) 行數(shù)學(xué)導(dǎo)航仿真模式時(shí)，原應(yīng)在導(dǎo)航計(jì)算機(jī)中運(yùn)行的導(dǎo)航程序被改在導(dǎo)航仿真器中運(yùn)行。 該模式可在沒(méi)有導(dǎo)航計(jì)算機(jī)的情況下，用于開發(fā)和調(diào)試導(dǎo)航程序，其數(shù)學(xué)飛行的仿真結(jié) 果可作為半實(shí)物飛行仿真的基線。在半實(shí)物導(dǎo)航仿真模式中，導(dǎo)航程序是在真實(shí)的導(dǎo)航 計(jì)算機(jī)中運(yùn)行的，其所需要的飛機(jī)位置信息由導(dǎo)航仿真器提供，而其所生成的飛機(jī)橫/航 向操縱指令則被送回導(dǎo)航仿真器。'
導(dǎo)航程序的任務(wù)是根據(jù)當(dāng)前飛機(jī)運(yùn)動(dòng)信息，按特定的導(dǎo)航規(guī)律，實(shí)時(shí)計(jì)算希望的飛 機(jī)橫/航向操縱指令，該操縱指令被輸出至仿真器中的飛控系統(tǒng)的橫/航向通道，驅(qū)動(dòng)飛機(jī) 橫/航向動(dòng)力學(xué)模型，以使飛機(jī)保持沿預(yù)定航線飛行。在視距內(nèi)飛行時(shí)，導(dǎo)航程序采用基 地切平面導(dǎo)航坐標(biāo)系，各航段均為等方位角航線；而在超視距飛行時(shí)，采用WGS-84全 球球面導(dǎo)航坐標(biāo)系，各航段均為大圓航線。在相鄰航段間可選擇提前轉(zhuǎn)彎、壓點(diǎn)轉(zhuǎn)彎或 過(guò)點(diǎn)轉(zhuǎn)彎三種轉(zhuǎn)換方式。除了可仿真沿航路點(diǎn)的航線飛行，還可仿真以給定點(diǎn)為中心以 規(guī)定距離為半徑的水平盤旋飛行。無(wú)論是航線飛行還是盤旋飛行，都采用相對(duì)當(dāng)前航段 之橫/航向偏差的PID (比例+微分+積分)的導(dǎo)航規(guī)律，在該導(dǎo)航規(guī)律中還設(shè)計(jì)了抗風(fēng)和 抗回繞措施。導(dǎo)航規(guī)律中的參數(shù)是可由用戶裝訂的，這有利于導(dǎo)航規(guī)律的設(shè)計(jì)與優(yōu)化。
本實(shí)用新型采用兩種關(guān)于飛機(jī)運(yùn)動(dòng)信息(位置和速度)的仿真方法。 一種是自主定 位法，其等效于采用慣性定位或GPS定位技術(shù)所獲取的飛機(jī)運(yùn)動(dòng)信息(表示在WGS-84 坐標(biāo)系中)；另一種是航位推算法，即利用空速、航向、俯仰角信息以及估計(jì)的風(fēng)速風(fēng)向 信息，推算出飛機(jī)的地速和位置。當(dāng)自主定位失效或精度惡化時(shí)，導(dǎo)航程序會(huì)根據(jù)自主 定位信息中的故障狀態(tài)碼自動(dòng)轉(zhuǎn)換至輔助的航位推算法，繼續(xù)進(jìn)行導(dǎo)航計(jì)算；而當(dāng)自主 定位恢復(fù)正常時(shí)，導(dǎo)航程序會(huì)自動(dòng)恢復(fù)至自主定位。該功能保證了在GPS被干擾或定位 精度惡化或慣性定位誤差隨時(shí)間嚴(yán)重增長(zhǎng)，而不能使用自主定位數(shù)據(jù)的情況下，導(dǎo)航計(jì) 算機(jī)可利用航位推算數(shù)據(jù)繼續(xù)保持導(dǎo)航的能力。模塊數(shù)據(jù)記錄也是飛行仿真模式的一個(gè) 功能。每幀數(shù)據(jù)記錄的內(nèi)容包含實(shí)時(shí)時(shí)間、航段號(hào)、飛機(jī)位置(X, Y)、飛機(jī)位置(入， 4>)、飛機(jī)高度、飛機(jī)地速、地速東.向分量、地速北向分量、空速、航跡角、航向角、俯
仰角、傾斜角、航.向角速度、橫向操縱指令電壓、航向操縱指令電壓、風(fēng)速、風(fēng)向、風(fēng) 干擾狀態(tài)、定位精度、定位狀態(tài)、故障狀態(tài)、遙控命令等。
"事后處理"模式。預(yù)定仿真任務(wù)結(jié)束后，對(duì)本次仿真記錄的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析(例
如導(dǎo)航飛行精度)，并生成一個(gè)仿真試驗(yàn)報(bào)告文件。如需要也可對(duì)仿真全過(guò)程予以回放。 關(guān)于導(dǎo)航仿真器的工作流程與時(shí)序。為完成一次預(yù)定的仿真任務(wù)，仿真器應(yīng)依次順 序運(yùn)行"初始測(cè)試"、"任務(wù)設(shè)計(jì)"和"飛行仿真"工作模式。在運(yùn)行每個(gè)模式(或其中 選項(xiàng))之前，應(yīng)按顯示器屏幕界面的提示，進(jìn)行相關(guān)數(shù)據(jù)設(shè)置與選擇。仿真任務(wù)結(jié)束后，根據(jù)需要可選擇進(jìn)入"事后處理"模式。為保證導(dǎo)航仿真的實(shí)時(shí)性，導(dǎo)航仿真器和導(dǎo)航 計(jì)算機(jī)的更新速率均為250 ms (4次/秒)。在每個(gè)更新周期內(nèi)，在時(shí)間上順序執(zhí)行下列程 序模塊風(fēng)干擾處理模塊、定位誤差處理模塊、A/D模擬輸入模塊、定位數(shù)據(jù)生成模塊、 運(yùn)動(dòng)狀態(tài)更新模塊'、定位數(shù)據(jù)發(fā)送模塊、D/A模擬輸出模塊、遙控命令/故障狀態(tài)輸出模 塊、飛行航線參數(shù)更新模塊和數(shù)據(jù)記錄模塊。而飛機(jī)動(dòng)力學(xué)解算的更新速率為10 ms (100 次/秒)。
本實(shí)用新型半實(shí)物仿真環(huán)境中的導(dǎo)航控制顯示器3和導(dǎo)航分線盒2均為無(wú)人直升機(jī) 導(dǎo)航系統(tǒng)中的實(shí)際裝置。導(dǎo)航控制顯示器3在半實(shí)物仿真和在實(shí)際應(yīng)用(飛行前后的外 場(chǎng)地面檢測(cè)裝置)中的功能相同，其在硬件上為一便攜式筆記本電腦。在飛行前通過(guò) RS232串行數(shù)據(jù)通信，經(jīng)導(dǎo)航分線盒2與機(jī)載導(dǎo)航計(jì)算機(jī)1交聯(lián)。使用專門的通信軟件， 可按菜單提示逐項(xiàng)對(duì)機(jī)載導(dǎo)航計(jì)算機(jī)進(jìn)行下列操作(a)機(jī)載導(dǎo)航計(jì)算機(jī)自測(cè)試，(b)導(dǎo) 航裝置測(cè)試，(c)飛行任務(wù)裝訂與加載，(d)基地導(dǎo)航坐標(biāo)系和制導(dǎo)參數(shù)裝訂，(e)橫/航向操 縱信號(hào)檢查，和(f)導(dǎo)航飛行仿真。以驗(yàn)證導(dǎo)航計(jì)算機(jī)在飛行前的功能/性能正常。在飛行 后，可從導(dǎo)航計(jì)算機(jī)中以文件形式下載飛行任務(wù)數(shù)據(jù)、飛行狀態(tài)數(shù)據(jù)和故障狀態(tài)數(shù)據(jù)， 供航后分析。導(dǎo)航分線盒2的功能在本實(shí)用新型中是實(shí)現(xiàn)了在機(jī)載導(dǎo)航計(jì)算機(jī)1、導(dǎo)航 控制顯示器3和導(dǎo)航仿真器4之間電氣連接的正確性、簡(jiǎn)捷性與安全性。
本實(shí)用新型的優(yōu)點(diǎn)及功效是為無(wú)人直升機(jī)自主導(dǎo)航系統(tǒng)創(chuàng)建了一種半實(shí)物仿真技 術(shù)和仿真環(huán)境。本實(shí)用新型所涉及的導(dǎo)航仿真技術(shù)具有良好的先進(jìn)性、通用性和實(shí)用性， 為先進(jìn)無(wú)人機(jī)導(dǎo)航系統(tǒng)，特別是導(dǎo)航控制規(guī)律的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了一個(gè)有效的平臺(tái)。而本 實(shí)用新型所涉及的仿真環(huán)境，設(shè)計(jì)精良、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低。其所實(shí)現(xiàn)的導(dǎo)航計(jì)算機(jī)硬 件在回路中的仿真，為詳細(xì)評(píng)估導(dǎo)航計(jì)算機(jī)產(chǎn)品的功能/性能和可靠性以及全面測(cè)試在近 似實(shí)際飛行條件下無(wú)人直升機(jī)導(dǎo)航系統(tǒng)的飛行品質(zhì)，提供了一個(gè)有效手段。已被證明-應(yīng)用本實(shí)用新型可極大地減小導(dǎo)航系統(tǒng)的開發(fā)周期與風(fēng)險(xiǎn)，節(jié)省導(dǎo)航系統(tǒng)飛行試驗(yàn)的經(jīng) 費(fèi)，從而表現(xiàn)出了顯著的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益。


圖1導(dǎo)航系統(tǒng)半實(shí)物仿真技術(shù)裝置結(jié)構(gòu)示意圖
圖2導(dǎo)航計(jì)算機(jī)棧接總線結(jié)構(gòu)示意圖
圖3導(dǎo)航計(jì)算機(jī)導(dǎo)航軟件流程示意圖
圖4導(dǎo)航仿真器工作模式示意圖
圖5導(dǎo)航仿真器主界面示意圖
圖6導(dǎo)航仿真器初始測(cè)試界面示意圖
圖7導(dǎo)航仿真器任務(wù)初始化界面示意圖
圖8導(dǎo)航仿真器航路點(diǎn)設(shè)置界面示意圖
圖9導(dǎo)航仿真器航線規(guī)劃界面示意圖圖10 導(dǎo)航仿真器遙控命令測(cè)試界面示意圖
圖11 導(dǎo)航仿真器故障狀態(tài)設(shè)置界面示意圖
圖12 導(dǎo)航仿真器飛行仿真界面示意圖
圖13 導(dǎo)航仿真器飛行后統(tǒng)計(jì)分析界面示意圖
圖14 導(dǎo)航控制顯示器航線規(guī)劃界面示意圖
圖中符號(hào)說(shuō)明如下
1機(jī)載導(dǎo)航計(jì)算機(jī)；2導(dǎo)航分線盒；3導(dǎo)航控制顯示器；4導(dǎo)航仿真器。
具體實(shí)施方式
見(jiàn)圖l、圖2、'圖3、圖4、圖5、圖6、圖7、圖8、圖9、圖10、圖11、圖12、圖 13、圖14所示， 一種無(wú)人共軸直升機(jī)自主導(dǎo)航系統(tǒng)半實(shí)物仿真技術(shù)裝置，具體實(shí)施如下。
一種無(wú)人共軸直升機(jī)自主導(dǎo)航系統(tǒng)半實(shí)物仿真技術(shù)裝置，該裝置由機(jī)載導(dǎo)航計(jì)算機(jī) 1，導(dǎo)航分線盒2，導(dǎo)航控制顯示器3，和導(dǎo)航仿真器4，共四個(gè)部分組成(圖l)。其中， 機(jī)載導(dǎo)航計(jì)算機(jī)1通過(guò)導(dǎo)航分線盒2與導(dǎo)航仿真器4交聯(lián)，以形成無(wú)人直升機(jī)自主導(dǎo)航 仿真回路；同時(shí)，機(jī)載導(dǎo)航計(jì)算機(jī)1通過(guò)導(dǎo)航分線盒2也與導(dǎo)航控制顯示器3交聯(lián)，以 實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)載導(dǎo)航計(jì)算機(jī)1的控制與測(cè)試。
所述機(jī)載導(dǎo)航計(jì)算機(jī)l，是PC/104嵌入式工業(yè)個(gè)人計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)(圖2)，它由6 塊模板組成CPU板(CM/P5e)、顯示板(mm/VFP)、模擬I/O板(MM-32)、串口通信板 (HXL-10423)、計(jì)數(shù)器板(MM-10)和電源板(MM-512-V512)。機(jī)載導(dǎo)航計(jì)算機(jī)具有"地面 測(cè)試"和"實(shí)時(shí)導(dǎo)豚"兩種工作模式(圖3);
所述導(dǎo)航仿真器4，其硬件為一臺(tái)PC計(jì)算機(jī)(操作系統(tǒng)Windows XP， ISA總線插槽 3個(gè)，顯示器分辨率800x600以上)，其中配置有A/D模擬輸入卡(PC-6360)， D/A模擬 輸出卡(KH-9211)以及串行數(shù)據(jù)通信卡(CI-132)各一塊。仿真應(yīng)用程序?yàn)镃^6.0面 向?qū)ο蟮哪K化結(jié)構(gòu)。導(dǎo)航仿真器，具有4種工作模式(a)初始測(cè)試，(b)任務(wù)設(shè)計(jì), (c)飛行仿真，(d)事后處理(圖4);
所述導(dǎo)航控制顯示器3，為一便攜式筆記本電腦。在飛行前通過(guò)RS232串行數(shù)據(jù)通 信，經(jīng)導(dǎo)航分線盒2與機(jī)載導(dǎo)航計(jì)算機(jī)1交聯(lián)。使用專門的通信軟件，可按菜單提示逐 項(xiàng)對(duì)機(jī)載導(dǎo)航計(jì)算機(jī)進(jìn)行下列操作(a)導(dǎo)航計(jì)算機(jī)自測(cè)試，(b)導(dǎo)航裝置測(cè)試，(c)飛行任 務(wù)裝訂與加載，(d)基地導(dǎo)航坐標(biāo)系和制導(dǎo)參數(shù)裝訂，(e)橫/航向操縱信號(hào)檢査，和(f)導(dǎo)航 飛行仿真(圖14);
所述導(dǎo)航分線盒2，是航空用接線盒，它實(shí)現(xiàn)了在機(jī)載導(dǎo)航計(jì)算機(jī)l、導(dǎo)航控制顯示 器3和導(dǎo)航仿真器4之間的電氣正確連接。
信號(hào)具體走向是來(lái)自導(dǎo)航仿真器4的模擬輸入信號(hào)(航向正弦/余弦、俯仰角、真 空速)經(jīng)導(dǎo)航分線盒2，被送入機(jī)載導(dǎo)航計(jì)算機(jī)1中模擬I/O板的A/D各通道；而該板上的兩個(gè)D/A通道輸出橫/航向操縱指令信號(hào)，其經(jīng)導(dǎo)航分線盒2被送至導(dǎo)航仿真器4。 來(lái)自導(dǎo)航仿真器4的GPS/INS定位數(shù)據(jù)和遙控命令數(shù)據(jù)，經(jīng)導(dǎo)航分線盒2分別被送入機(jī) 載導(dǎo)航計(jì)算機(jī)l中串行數(shù)據(jù)通信板上的兩個(gè)RS422串口。導(dǎo)航控制顯示器3，經(jīng)導(dǎo)航分 線盒2與機(jī)載導(dǎo)航計(jì)算機(jī)1的串行數(shù)據(jù)通是通過(guò)CPU主板上的RS232串口實(shí)現(xiàn)的。. 實(shí)際操作如下 (a)編制仿真測(cè)試任務(wù)書和測(cè)試大銅。 ' '(b)仿真環(huán)境準(zhǔn)備——使用專用電纜將"機(jī)載導(dǎo)航計(jì)算機(jī)"li "導(dǎo)航分線盒"2,"導(dǎo) 航控制顯示器"3以及"導(dǎo)航仿真器"4可靠地連接，確保相互間電氣交聯(lián)關(guān)系正確無(wú)誤。 在導(dǎo)航仿真器中正確安裝仿真應(yīng)用軟件與串口驅(qū)動(dòng)程序。起動(dòng)導(dǎo)航仿真軟件，在屏幕上 出現(xiàn)主界面(圖5)。在導(dǎo)航控制顯示器上運(yùn)行控顯應(yīng)用程序，在屏幕上出現(xiàn)主界面(圖 12)。順序開啟導(dǎo)航分線盒和導(dǎo)航計(jì)算機(jī)的電源開關(guān)，令導(dǎo)航計(jì)算機(jī)加電。
(c) 模擬與數(shù)字I/0通信測(cè)試——在仿真器主界面上點(diǎn)擊"初始測(cè)試"按鈕，進(jìn)入 "初始測(cè)試"模式(圖6 )，按菜單內(nèi)容依次進(jìn)行D/A、 A/D和串口測(cè)試。在D/A窗口各通 道分別送入有效的空速、俯仰角和航向數(shù)據(jù)，在"導(dǎo)航控制顯示器"上檢査是否己被機(jī) 載導(dǎo)航計(jì)算機(jī)A/D正確接收。在"導(dǎo)航控制顯示器"上命令機(jī)載導(dǎo)航計(jì)算機(jī)D/A輸出給 定的橫/航向操縱電壓，在仿真器A^)測(cè)試窗口中檢查是否已被正確接收。在串口測(cè)試窗 口中，分別發(fā)送各種遙控命令以及給定的定位數(shù)據(jù)，觀察從機(jī)載導(dǎo)航計(jì)算機(jī)返回的數(shù)據(jù)， 檢査RS422串口工作是否正常。
(d) 任務(wù)初始化——在仿真器主界面上點(diǎn)擊"任務(wù)初始化"按鈕，進(jìn)入"任務(wù)初始 化"模式(圖7 )。按各窗口內(nèi)容分別鍵入任務(wù)說(shuō)明、基準(zhǔn)點(diǎn)坐標(biāo)、初始飛行狀態(tài)、風(fēng) 干擾和定位精度因子數(shù)據(jù).并選擇導(dǎo)航仿真方式,其中《自主導(dǎo)航》為數(shù)學(xué)仿真，用于考 察導(dǎo)航程序，導(dǎo)航計(jì)算機(jī)不參加仿真；《實(shí)時(shí)導(dǎo)航》為半實(shí)物仿真。
(e) 航線規(guī)劃——單擊仿真器主界面上的"航路點(diǎn)設(shè)置"按鈕，進(jìn)入"航路點(diǎn)設(shè)置" 界面(圖8)。在窗口中依次鍵入預(yù)定的各航路點(diǎn)經(jīng)度(dddram. fflimm)和諱度(ddmm. mmmm). 在仿真器主界面上單擊"航線規(guī)劃"按鈕，打開"航線規(guī)劃"界面(圖9)。在航路點(diǎn)預(yù) 覽窗口中，按預(yù)定的航線規(guī)劃單擊相關(guān)的各航路點(diǎn)，若希望在某航路點(diǎn)處盤旋應(yīng)在半徑 框內(nèi)鍵入盤旋半徑值。單擊"建立航線"按鈕> 可建立一條航線，并賦予一個(gè)航線號(hào)。
.該航線的信息被綜合顯示在航線預(yù)覽窗口中，其中還包括了各航段的長(zhǎng)度和方位角。單 擊"確定"按鈕，即完成了航線的設(shè)置與裝訂。特別應(yīng)注意在仿真器中激活的航線必 須與由"導(dǎo)航控制顯示器"向?qū)Ш接?jì)算機(jī)中裝訂的航線完全一致。
(f) 飛行仿真——單擊仿真器主界面上的"飛行仿真"按鈕，進(jìn)入"飛行仿真"界 面(圖12)。點(diǎn)擊"仿真開始"按鈕可起動(dòng)仿真飛行。屏幕左側(cè)顯示的是實(shí)時(shí)仿真過(guò)程中
的各飛行狀態(tài)參數(shù)，右側(cè)顯示的是已裝訂的飛行航線和實(shí)時(shí)的飛行軌跡(表示在基地中心 坐標(biāo)系中)。屏幕下方是在仿真飛行中可操的一些功能按鈕。隨時(shí)點(diǎn)擊"加入風(fēng)干擾"和 "撤消風(fēng)干擾"按鈕，可引入在初始化中設(shè)定的風(fēng)干擾；隨時(shí)點(diǎn)擊"加入GPS干擾"和"撤消GPS干擾"按鈕，可引入預(yù)定的定位精度惡化，施加這些干擾的起止時(shí)間均被記錄，可 用于飛行后對(duì)導(dǎo)航系統(tǒng)的抗干擾能力進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。在仿真過(guò)程中，單擊"遙控命令"按 鈕，將彈出一 "遙經(jīng)命令"框(圖10)，其可實(shí)時(shí)向?qū)Ш接?jì)算機(jī)發(fā)出各種控制飛機(jī)飛行的 遙控命令，包括橫向自主/遙控、航向自主/遙控、自主返航和直飛等命令。以產(chǎn)生相應(yīng) 的導(dǎo)航或控制動(dòng)作。如圖12所示飛行軌跡，在第3航段盤旋過(guò)程中發(fā)出了 "自主返航" 遙控命令，飛機(jī)立即退出盤旋返回基地。在仿真過(guò)程中，若單擊"故障測(cè)試"按鈕，將彈 出"故障狀態(tài)設(shè)置"框(圖11)。其可用于產(chǎn)生單獨(dú)的或綜合的預(yù)定故障條件，包括各 類定位故障，如無(wú)定位數(shù)據(jù)、無(wú)定位解、定位精度低或非差分定位等故障狀態(tài)以及空速、 俯仰角、傾斜角和航向角精度超差等故障狀態(tài)。該功能具有檢驗(yàn)機(jī)載導(dǎo)航計(jì)算機(jī)之故障識(shí) 別和告警的能力。當(dāng)預(yù)定的飛行仿真結(jié)束后，仿真會(huì)自動(dòng)停止.點(diǎn)擊"返回"按鈕，退出 仿真飛行界面，返回主界面。
(g)飛行后仿真分析——每次仿真結(jié)束后均會(huì)生成仿真記錄文件，文件內(nèi)容包含 任務(wù)初始化信息、,真全過(guò)程的飛行狀態(tài)參數(shù)以及故障/遙控/干擾狀態(tài)信息。如需統(tǒng)計(jì) 在某一時(shí)間段內(nèi)的導(dǎo)航精度，可單擊"統(tǒng)計(jì)分析"按鈕，打開"統(tǒng)計(jì)分析"對(duì)話框(圖 13),在其中設(shè)定希望統(tǒng)計(jì)的航段號(hào)和屬性(直線或盤旋)以及起止飛行時(shí)間，便可計(jì)算 出實(shí)際飛行軌跡相對(duì)應(yīng)飛航線之側(cè)偏距離的平均值和標(biāo)準(zhǔn)偏差。本仿真器還具有仿真過(guò) 程回放的功能。單擊主界面上的"仿真回放"按鈕，顯示"仿真回放"對(duì)話框，在其中 輸入仿真任務(wù)名，即可在無(wú)導(dǎo)航計(jì)算機(jī)參加的情況下，利用已有的記錄數(shù)據(jù)復(fù)現(xiàn)已完成 的仿真全過(guò)程。
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權(quán)利要求1、一種無(wú)人共軸直升機(jī)自主導(dǎo)航系統(tǒng)半實(shí)物仿真技術(shù)裝置，其特征在于該裝置由機(jī)載導(dǎo)航計(jì)算機(jī)，導(dǎo)航分線盒，導(dǎo)航控制顯示器，和導(dǎo)航仿真器，共四個(gè)部分組成；其中，機(jī)載導(dǎo)航計(jì)算機(jī)通過(guò)導(dǎo)航分線盒與導(dǎo)航仿真器交聯(lián)，以形成無(wú)人直升機(jī)自主導(dǎo)航仿真回路；同時(shí)，機(jī)載導(dǎo)航計(jì)算機(jī)通過(guò)導(dǎo)航分線盒也與導(dǎo)航控制顯示器交聯(lián)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)載導(dǎo)航計(jì)算機(jī)的控制與測(cè)試；所述機(jī)載導(dǎo)航計(jì)算機(jī)，是PC/104嵌入式工業(yè)個(gè)人計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)，它由6塊模板組成CPU板、顯示板、模擬I/O板、串口通信板、計(jì)數(shù)器板和電源板；機(jī)載導(dǎo)航計(jì)算機(jī)具有“地面測(cè)試”和“實(shí)時(shí)導(dǎo)航”兩種工作模式；所述導(dǎo)航仿真器，其硬件為一臺(tái)PC計(jì)算機(jī)，其中配置有A/D模擬輸入卡，D/A模擬輸出卡以及串行數(shù)據(jù)通信卡各一塊；仿真應(yīng)用程序?yàn)镃++6.0面向?qū)ο蟮哪K化結(jié)構(gòu)；導(dǎo)航仿真器，具有4種工作模式(a)初始測(cè)試，(b)任務(wù)設(shè)計(jì)，(c)飛行仿真，(d)事后處理；所述導(dǎo)航控制顯示器，為一便攜式筆記本電腦，在飛行前通過(guò)RS232串行數(shù)據(jù)通信，經(jīng)導(dǎo)航分線盒與機(jī)載導(dǎo)航計(jì)算機(jī)交聯(lián)；使用專門的通信軟件，可按菜單提示逐項(xiàng)對(duì)機(jī)載導(dǎo)航計(jì)算機(jī)進(jìn)行下列操作(a)機(jī)載導(dǎo)航計(jì)算機(jī)自測(cè)試，(b)導(dǎo)航裝置測(cè)試，(c)飛行任務(wù)裝訂與加載，(d)基地導(dǎo)航坐標(biāo)系和制導(dǎo)參數(shù)裝訂，(e)橫/航向操縱信號(hào)檢查，和(f)導(dǎo)航飛行仿真；所述導(dǎo)航分線盒，是航空用接線盒，它實(shí)現(xiàn)了在機(jī)載導(dǎo)航計(jì)算機(jī)、導(dǎo)航控制顯示器和導(dǎo)航仿真器之間的電氣正確連接。
專利摘要本實(shí)用新型一種無(wú)人共軸直升機(jī)自主導(dǎo)航系統(tǒng)半實(shí)物仿真技術(shù)裝置，它由機(jī)載導(dǎo)航計(jì)算機(jī)、機(jī)載導(dǎo)航分線盒、導(dǎo)航控制顯示器和導(dǎo)航仿真器組成。其中，機(jī)載導(dǎo)航計(jì)算機(jī)通過(guò)導(dǎo)航分線盒與導(dǎo)航仿真器交聯(lián)，以形成無(wú)人直升機(jī)自主導(dǎo)航仿真回路；機(jī)載導(dǎo)航計(jì)算機(jī)通過(guò)導(dǎo)航分線盒也與導(dǎo)航控制顯示器交聯(lián)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)載導(dǎo)航計(jì)算機(jī)的控制與測(cè)試。本裝置為無(wú)人直升機(jī)導(dǎo)航系統(tǒng)創(chuàng)建了一個(gè)通用的開發(fā)平臺(tái)，它在接近實(shí)際飛行的仿真條件下驗(yàn)證導(dǎo)航系統(tǒng)的功能/性能和可靠性；本實(shí)用新型所涉及的半實(shí)物仿真技術(shù)，具有良好的先進(jìn)性、通用性和實(shí)用性；所涉及的半實(shí)物仿真環(huán)境，設(shè)計(jì)精細(xì)、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可操作性好。實(shí)踐表明本實(shí)用新型減小了導(dǎo)航系統(tǒng)的開發(fā)周期和風(fēng)險(xiǎn)，技術(shù)及經(jīng)濟(jì)效益好。
文檔編號(hào)G06G7/78GK201345103SQ20082023364
公開日2009年11月11日 申請(qǐng)日期2008年12月24日 優(yōu)先權(quán)日2008年12月24日
發(fā)明者嘉 姚, 王吉東, 王壬林, 琦 趙, 劍 鄭 申請(qǐng)人:北京航空航天大學(xué)