基于模型的無人機(jī)飛控系統(tǒng)設(shè)計(jì)及驗(yàn)證

某型無人機(jī)飛行控制系統(tǒng)以飛行控制計(jì)算機(jī)為核心，包括傳感器部件、運(yùn)動(dòng)舵機(jī)、測(cè)控鏈路等，可以實(shí)現(xiàn)自主起飛與返場(chǎng)著陸、自主執(zhí)行任務(wù)。

無人機(jī)飛控系統(tǒng)主要功能包括：三軸控制增穩(wěn)和姿態(tài)保持、自主導(dǎo)航、機(jī)載系統(tǒng)管理、應(yīng)急處置等。主要機(jī)載設(shè)備包括：飛行控制計(jì)算機(jī)、大氣數(shù)據(jù)系統(tǒng)、舵機(jī)、測(cè)控系統(tǒng)測(cè)量采集系統(tǒng)、起落架系統(tǒng)、前輪轉(zhuǎn)彎系統(tǒng)、發(fā)動(dòng)機(jī)等。

基于ATSPACE無人機(jī)數(shù)字孿生設(shè)計(jì)平臺(tái)，進(jìn)行某型無人機(jī)飛控系統(tǒng)設(shè)計(jì)及驗(yàn)證，主要內(nèi)容如下：

1）首先建立無人機(jī)系統(tǒng)的運(yùn)行場(chǎng)景模型，梳理飛行控制系統(tǒng)的功能/性能需求，完成利益相關(guān)者需求分析

2）在1）基礎(chǔ)上，開展系統(tǒng)架構(gòu)模型設(shè)計(jì)、完成系統(tǒng)運(yùn)行模型與系統(tǒng)控制模型綜合設(shè)計(jì)，并使用了模型接口將系統(tǒng)運(yùn)行模型與系統(tǒng)控制模型進(jìn)行綜合，結(jié)合飛機(jī)動(dòng)力學(xué)模型、環(huán)境模型、地面站系統(tǒng)等，形成了具有“虛擬鐵鳥”特征的無人機(jī)飛行控制系統(tǒng)虛擬測(cè)試環(huán)境，實(shí)現(xiàn)基于模型的全系統(tǒng)綜合集成試驗(yàn)

3）最后使用自動(dòng)代碼生成技術(shù)生成機(jī)載軟件，實(shí)現(xiàn)機(jī)載系統(tǒng)模型到機(jī)載代碼的自動(dòng)轉(zhuǎn)換，加載到飛行控制計(jì)算機(jī)中，完成半實(shí)物鐵鳥綜合試驗(yàn)、滑行及飛行試驗(yàn)

基于模型開發(fā)的工作流程

?  設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)。建立模型與需求文檔的鏈接，實(shí)現(xiàn)模型與需求的雙向可追溯性。基于高層需求進(jìn)行模型的設(shè)計(jì)，在模型設(shè)計(jì)過程中可以不斷通過仿真檢驗(yàn)設(shè)計(jì)結(jié)果從而反復(fù)迭代優(yōu)化設(shè)計(jì)。模型代替?zhèn)鹘y(tǒng)設(shè)計(jì)流程中詳細(xì)設(shè)計(jì)文檔。

?  實(shí)現(xiàn)環(huán)節(jié)。通過自動(dòng)生成代碼實(shí)現(xiàn)從設(shè)計(jì)（Design）到實(shí)現(xiàn)（Implementation）的過渡，簡(jiǎn)化傳統(tǒng)設(shè)計(jì)流程中多次建模的重復(fù)勞動(dòng)，使工程師更加專注于各自的專業(yè)。

?  驗(yàn)證環(huán)節(jié)。驗(yàn)證環(huán)節(jié)貫穿于全生命周期，特別是在模型設(shè)計(jì)階段，就可以開展針對(duì)設(shè)計(jì)的基于需求的功能性測(cè)試，以及模型的覆蓋率測(cè)試，且早期驗(yàn)證的測(cè)試用例可以在代碼驗(yàn)證階段得到重用。

基于模型的無人機(jī)飛控系統(tǒng)集成開發(fā)環(huán)境

在系統(tǒng)運(yùn)行場(chǎng)景模型和系統(tǒng)架構(gòu)模型設(shè)計(jì)時(shí)，使用了SYSML語言和IBM Rhapsody工具；

在系統(tǒng)運(yùn)行模型和系統(tǒng)控制算法時(shí)，則使用了MATLAB/Simulink/Stateflow設(shè)計(jì)；

模型驗(yàn)證

驗(yàn)證過程如下：

ü  模型逐級(jí)傳遞，使用Maltlab等工具完成運(yùn)行場(chǎng)景模型和系統(tǒng)功能模型的設(shè)計(jì)與仿真驗(yàn)證；

ü  在模型集成綜合階段，采用Matlab/Simulink作為模型運(yùn)行平臺(tái)，基于ATSPACE無人機(jī)數(shù)字孿生設(shè)計(jì)平臺(tái)完成模型綜合集成驗(yàn)證，并基于綜合模型建立了飛行控制系統(tǒng)“虛擬鐵鳥”，開展基于模型的飛行控制系統(tǒng)/地面站/試驗(yàn)環(huán)境的聯(lián)合試驗(yàn)，在初步設(shè)計(jì)階段即對(duì)系統(tǒng)完成了集成驗(yàn)證與虛擬飛行試驗(yàn)，確認(rèn)了全系統(tǒng)功能/性能滿足飛行控制系統(tǒng)的研制需求；

ü  基于模型的經(jīng)過前期充分驗(yàn)證后的機(jī)載系統(tǒng)，在半實(shí)物試驗(yàn)/機(jī)上地面試驗(yàn)/試飛驗(yàn)證過程中，相較于傳統(tǒng)的型號(hào)研發(fā)，減少了很多不必要的設(shè)計(jì)反復(fù)迭代，縮短了試驗(yàn)驗(yàn)證周期，顯著地減少了物理試驗(yàn)的次數(shù)和成本。

MIL(Model-in-the-Loop Simulation)—模型在環(huán)測(cè)試

MIL(Model-in-the-Loop Simulation)—模型在環(huán)測(cè)試

將控制算法模型和被控對(duì)象模型連起來形成閉環(huán)，即在模型層面上實(shí)現(xiàn)閉環(huán)測(cè)試。如圖對(duì)無人機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的非控制律和控制律部分進(jìn)行綜合，確認(rèn)系統(tǒng)功能/性能是否滿足設(shè)計(jì)要求。主要檢查項(xiàng)目包括系統(tǒng)模型與試驗(yàn)環(huán)境的接口、試驗(yàn)環(huán)境的功能/性能，以及全系統(tǒng)綜合功能/性能。

SIL(Software -in-the-Loop)—軟件在環(huán)測(cè)試

將控制策略模型轉(zhuǎn)換成的C代碼，把控制策略模型替換成由控制策略模型轉(zhuǎn)換得到的C代碼，我們得到了和MIL測(cè)試相同的結(jié)果，生成的C代碼就和用于代碼生成的模型是一致的。

SIL測(cè)試的目的就是為了驗(yàn)證自動(dòng)生成的代碼和用于代碼生成的模型中行為是否一致的。

HIL(Hardware-in-the-Loop)—硬件在環(huán)測(cè)試

當(dāng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)結(jié)束，并已制成產(chǎn)品型控制器，需要在閉環(huán)下對(duì)其進(jìn)行詳細(xì)測(cè)試。但由于種種原因如：極限測(cè)試、失效測(cè)試，或在真實(shí)環(huán)境中測(cè)試費(fèi)用較昂貴等，使測(cè)試難以進(jìn)行，例如：在積雪覆蓋的路面上進(jìn)行飛機(jī)防抱死裝置（ ABS ）控制器的小摩擦測(cè)試就只能在冬季有雪的天氣進(jìn)行；

有時(shí)為了縮短開發(fā)周期，則在控制器運(yùn)行環(huán)境不存在的情況下對(duì)其進(jìn)行測(cè)試。

無人機(jī)飛控系統(tǒng)硬件在環(huán)測(cè)試

驗(yàn)證結(jié)果

通過基于模型的ATSPACE無人機(jī)數(shù)字孿生設(shè)計(jì)平臺(tái)進(jìn)行某型無人機(jī)飛控系統(tǒng)的開發(fā)，有效地改進(jìn)了現(xiàn)有的飛行控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程，在設(shè)計(jì)前期完成了系統(tǒng)/控制律/地面站的虛擬飛行試驗(yàn)，形成了一種基于模型的系統(tǒng)研發(fā)模式和設(shè)計(jì)流程，大量減少了真實(shí)物理試驗(yàn)的次數(shù)，提高了系統(tǒng)早期的設(shè)計(jì)成熟度，顯著地提升了該型無人機(jī)系統(tǒng)的研發(fā)效率。