具有故障诊断能力无人直升机的飞控仿真系统，是由仿真总控台、仿真计算机、飞控管理系统、传感器系统、物理效应设备、伺服系统、遥控遥测系统和任务载荷系统组成。仿真总控台控制仿真计算机开机检测、模型生成及注入故障模型；仿真计算机选定仿真、干扰模型以及虚拟故障注入进行飞行仿真；飞控管理系统接收传感器和遥控遥测系统的信息；伺服系统实现操纵机构的真实反应；传感器系统将获得的传感器信息传递给飞控管理系统。本发明专利技术中的仿真计算机可嵌入不同的飞行器数学模型，因此可实现多种飞行器的仿真。本发明专利技术中的伺服系统、传感器系统，可将真实的飞行器舵机、传感器接入，以供研制、试飞飞行器的舵机、传感器工作检测。
【技术实现步骤摘要】
一、
本专利技术提供具有故障诊断能力无人直升机的飞控仿真系统，它涉及一种仿真环境，尤其涉及一种具有故障诊断能力的无人直升机飞控系统仿真,属于无人机飞行控制系统设计领域。二、
技术介绍
飞行控制系统是无人机系统的核心。要想设计出完善可靠的无人机飞行控制系统，完备强大的仿真系统能够提供强有力的保障。随着无人机的快速发展，无人机系统变得越来越复杂，对无人机飞控系统的要求也越来越高。以前的无人机飞控系统基本只需实现飞行参数的可控。现代飞控系统重点放在了系统管理和智能方面，要求飞控系统必须具备极高的可靠性，各种控制方案的制定与实施都是基于系统是没故障的。所以系统的故障诊断与隔离能力已经是设计飞控系统必不可少的部分。相应的对无人机飞控系统仿真环境也提出了越来越高的要求。目前的飞控仿真环境，大多是针对无人机的飞行轨迹及状态参数进行仿真。具备故障诊断能力的飞控系统仿真环境很少见到，针对具有故障诊断能力的无人直升机飞控系统仿真环境更是没有见到。三、
技术实现思路
(一)专利技术目的本专利技术的目的是提供具有故障诊断能力无人直升机的飞控仿真系统，它能够实现对具有故障诊断能力无人直升机飞控系统仿真，检验无人直升机飞控系统故障诊断的能力。本专利技术提出了一种具有故障诊断功能的无人直升机飞控系统半物理数字仿真环境的设计方案，提出了丰富的功能要求，对提高无人直升机飞控系统的设计能力具有重要意义。该专利技术主要用于专业级无人直升机的飞行控制系统设计。(二)技术方案本专利技术具有故障诊断能力无人直升机的飞控仿真系统，该系统结构图如图1所示，该系统是由仿真总控台、仿真计算机、飞控管理系统、传感器系统、物理效应设备、伺服系统、遥控遥测系统和任务载荷系统组成；它们相互之间的关系如下：仿真总控台控制仿真计算机开机检测、模型生成及注入故障模型，仿真总控台控制飞控管理系统开机检测并实时检测飞控管理系统的工作状态，仿真总控台控制物理效应设备开机检测，设定飞行任务和飞行条件以及生成各种飞行干扰条件；仿真计算机按照仿真总控台的指令选定仿真模型、干扰模型以及虚拟故障注入，仿真计算机接收飞控管理系统传感器信息、飞控指令和伺服系统的操纵信号进行飞行仿真，实时飞行仿真的结果发送到物理效应设备并且返回到仿真总控台；飞控管理系统接收传感器系统的飞行传感器信息和遥控遥测系统的遥控信息，按照仿真总控台的飞行任务得到导航控制信息，发送到仿真计算机和伺服系统；伺服系统接收飞控管理系统的导航控制信息，实现舵机和操纵机构的真实操纵；传感器系统结合物理效应设备将获得的传感器信息传递给飞控管理系统；物理效应设备根据仿真计算机的仿真结果，模拟飞行器飞行状态；1)所述仿真总控台是由仿真总控程序和各种通信接口组成，仿真总控程序控制整个仿真系统的运行，通信接口则保证了仿真总控台和其他模块的通信连接，将仿真总控程序的数据向其他模块传递；在试飞前向飞控管理系统加载飞行任务，控制各个系统的检测过程，实时记录并监测仿真计算机的仿真飞行状态等；该仿真总控程序的结构采用树状结构，根节点是用户控制节点，其次是无人飞行器类型选择(包含固定翼、直升机等)，接着是任务选择和参数注入，然后是飞行仿真，最后是仿真结果的分析和统计。其交互界面有三部分：一为飞行航迹仿真画面，包括飞行器的经、纬度，高度，飞行速度信息，处于飞行任务某个航段等；其二为飞行器实时的三维动态显示；第三为遥测参数显示，包括GPS数据、舵机操纵量、发动机转速、发动机温度、各种故障报警等；该通信接口包含仿真系统硬件涉及的各种通信接口形式，这些接口形式包括RS422、GPIB、ARINC429等，该接口的详细内容如下：RS422飞控仿真机串口通信卡的一种通信方式，标准全称“平衡电压数字接口电路的电气特性”，数据传输率为9600bpsGPIB通用接口总线(General-PurposeInterfaceBus，GPIB)是一种设备和计算机连接的总线。大多数台式仪器是通过GPIB线以及GPIB接口与电脑相连ARINC429一种通信总线协议，标准全称是“数字式信息传输系统”，传输速率分为高低两档，高速工作状态100kbit/s，低速工作状态在12Kbit/s～14.5Kbit/s范围内；2)所述仿真计算机是仿真系统的核心，仿真计算机是要求能运行无人直升机导航仿真器的计算机，可以按照实际需要自行设计，也可选用现有产品；这里采用X86或X64架构的CPU，具备计算机主机、显示器、键盘和以太网集线器等部件；该无人直升机导航仿真器基于Windows平台、用VC++技术开发，将直升机数学模型嵌入其中，实时运行；直升机数学模型越复杂，阶数越高，对硬件要求也越高；同时还应考虑系统具有丰富的接口板卡可以选择，以供其他环节数据输入输出；具有良好的界面可视性和人机交互能力；或者仿真计算机可以采用dSPACE或RT-LAB的实时仿真系统软硬件产品，dSPACE为一套基于MATLAB/Simulink的控制系统开发及半实物仿真的软硬件工作平台，RT-LAB为一套工业级系统实时仿真平台软件包，它们均可以很好地支持MATLAB/Simulink、C及C++等；3)所述飞控管理系统是本专利技术飞控仿真系统重点检测的部件，飞控管理系统由飞控计算机和管理计算机组成；它们之间的相互关系是：管理计算机根据从仿真总控台加载飞行任务、传感器信息以及遥控遥测信息得到导航控制律并传递给飞控计算机，飞控计算机用于运行控制内回路的控制律，经过解算得到导航操纵信号，实现对无人直升机的综合控制；该飞控计算机主要由主机板、输入接口板、输出接口板、计数器板以及电源板构成，可以按照实际需要自行设计，也可以选用现有产品；其输入接口板接收各种传感器的数据并对数据进行处理，形成通用标准格式；主机板运行飞行控制程序，根据输入的各种信息，形成控制指令；输出接口板接收主机板的控制指令，转换成伺服系统需要的信号形式，发送给伺服系统；该管理计算机为一台X86或X64架构的CPU的计算机，也可以使用一台实时仿真计算机代替，该实时仿真计算机硬件要求同前述仿真计算机类似；4)所述传感器系统包括无人直升机上用到的所有传感器；包括垂直陀螺、GPS/INS组合、大气数据机、无线电高度表、温度传感器、发动机转速传感器和油量传感器；它们之间是并列的关系；这些传感器信息可以是由真实的设备生成，也可以是数字模拟生成，例如某些故障状态就需要数字模拟故障的传感器信息，所述传感器系统所得到的传感器信息通过真实物理接口与飞控计算机连接；该垂直陀螺由3个相互垂直的陀螺仪和加速度计组成，可以采用现有成品；该GPS/INS组合为GPS及惯性导航组合导航设备，此处的技术要求其能跟踪至少6颗GPS卫星，测量卫星的伪距和伪距率，解算出接收机的经度、纬度、高度等信息和接收机的定位状态及定位精度；NavsymmRXR5M12型GPS接收机是一个12通道的C/A码接收机，可以同时跟踪8颗GPS卫星，该型或同级别的接收机能够满足使用要求；该大气数据机主要用来测量飞行器的绝对高度、指示空速、真空速、大气总温、升降速度等参数；国产的XSC-3F型大气数据机能够满足使用要求，或者可以采用其改进型和同一水平的大气数据机；该无线电高度表采用国产的GT-XX型无线电高度表；该温度传感器主本文档来自技高网...
【技术保护点】
具有故障诊断能力无人直升机的飞控仿真系统，其特征在于：该系统是由仿真总控台、仿真计算机、飞控管理系统、传感器系统、物理效应设备、伺服系统、遥控遥测系统和任务载荷系统组成；它们相互之间的关系如下：仿真总控台控制仿真计算机开机检测、模型生成及注入故障模型，仿真总控台控制飞控管理系统开机检测并实时检测飞控管理系统的工作状态，仿真总控台控制物理效应设备开机检测，设定飞行任务和飞行条件以及生成各种飞行干扰条件；仿真计算机按照仿真总控台的指令选定仿真模型、干扰模型以及虚拟故障注入，仿真计算机接收飞控管理系统传感器信息、飞控指令和伺服系统的操纵信号进行飞行仿真，实时飞行仿真的结果发送到物理效应设备并且返回到仿真总控台；飞控管理系统接收传感器系统的飞行传感器信息和遥控遥测系统的遥控信息，按照仿真总控台的飞行任务得到导航控制信息，发送到仿真计算机和伺服系统；伺服系统接收飞控管理系统的导航控制信息，实现舵机和操纵机构的真实操纵；传感器系统结合物理效应设备将获得的传感器信息传递给飞控管理系统；物理效应设备根据仿真计算机的仿真结果，模拟飞行器飞行状态；1)所述仿真总控台是由仿真总控程序和各种通信接口组成，仿真总控程序控制整个仿真系统的运行，通信接口则保证了仿真总控台和其他模块的通信连接，将仿真总控程序的数据向其他模块传递；在试飞前向飞控管理系统加载飞行任务，控制各个系统的检测过程，实时记录并监测仿真计算机的仿真飞行状态；该仿真总控程序的结构采用树状结构，根节点是用户控制节点，其次是无人飞行器类型选择，包含固定翼和直升机，接着是任务选择和参数注入，然后是飞行仿真，最后是仿真结果的分析和统计；其交互界面有三部分：一为飞行航迹仿真画面，包括飞行器的经、纬度，高度，飞行速度信息，处于飞行任务某个航段；其二为飞行器实时的三维动态显示；第三为遥测参数显示，包括GPS数据、舵机操纵量、发动机转速、发动机温度和各种故障报警；该通信接口包含仿真系统硬件涉及的各种通信接口形式；2)所述仿真计算机是仿真系统的核心，仿真计算机是要求能运行无人直升机导航仿真器的计算机，按照实际需要自行设计，也能选用现有产品；这里采用X86及X64架构的CPU，具备计算机主机、显示器、键盘和以太网集线器各部件；该无人直升机导航仿真器基于Windows平台、用VC++技术开发，将直升机数学模型嵌入其中，实时运行；直升机数学模型越复杂，阶数越高，对硬件要求也越高；同时还应考虑系统具有丰富的接口板卡能够选择，以供其他环节数据输入输出；具有良好的界面可视性和人机交互能力；仿真计算机能采用dSPACE及RT‑LAB的实时仿真系统软硬件产品，dSPACE为一套基于MATLAB/Simulink的控制系统开发及半实物仿真的软硬件工作平台，RT‑LAB为一套工业级系统实时仿真平台软件包，它们均能很好地支持MATLAB/Simulink、C及C++；3)所述飞控管理系统是本专利技术飞控仿真系统重点检测的部件，飞控管理系统由飞控计算机和管理计算机组成；它们之间的相互关系是：管理计算机根据从仿真总控台加载飞行任务、传感器信息以及遥控遥测信息得到导航控制律并传递给飞控计算机，飞控计算机用于运行控制内回路的控制律，经过解算得到导航操纵信号，实现对无人直升机的综合控制；该飞控计算机主要由主机板、输入接口板、输出接口板、计数器板以及电源板构成；它是按照实际需要自行设计，也能选用现有产品；其输入接口板接收各种传感器的数据并对数据进行处理，形成通用标准格式；主机板运行飞行控制程序，根据输入的各种信息，形成控制指令；输出接口板接收主机板的控制指令，转换成伺服系统需要的信号形式，发送给伺服系统；该管理计算机为一台X86及X64架构的CPU的计算机，也能使用一台实时仿真计算机代替；该实时仿真计算机硬件要求同前述仿真计算机类似；4)所述传感器系统包括无人直升机上用到的所有传感器；包括垂直陀螺、GPS/INS组合、大气数据机、无线电高度表、温度传感器、发动机转速传感器和油量传感器；它们之间是并列的关系；这些传感器信息是由真实的设备生成，亦能由数字模拟生成，所述传感器系统所得到的传感器信息通过真实物理接口与飞控计算机连接；该垂直陀螺由3个相互垂直的陀螺仪和加速度计组成，采用现有成品；该GPS/INS组合为GPS及惯性导航组合导航设备，此处的技术要求其能跟踪至少6颗GPS卫星，测量卫星的伪距和伪距率，解算出接收机的经度、纬度、高度等信息和接收机的定位状态及定位精度；NavsymmRXR5M12型GPS接收机是一个12通道的C/A码接收机，能同时跟踪8颗GPS卫星，该型及同级别的接收机能够满足使用要求；该大气数据机主要用来测量飞行器的绝对高度、指示空速、真空速、大气总温、升降速度各参数；国产的XSC‑3F型大气数据机能够满足使用要求；亦能采用其改...
【技术特征摘要】
1.具有故障诊断能力无人直升机的飞控仿真系统，其特征在于：该系统是由仿真总控台、仿真计算机、飞控管理系统、传感器系统、物理效应设备、伺服系统、遥控遥测系统和任务载荷系统组成；它们相互之间的关系如下：仿真总控台控制仿真计算机开机检测、模型生成及注入故障模型，仿真总控台控制飞控管理系统开机检测并实时检测飞控管理系统的工作状态，仿真总控台控制物理效应设备开机检测，设定飞行任务和飞行条件以及生成各种飞行干扰条件；仿真计算机按照仿真总控台的指令选定仿真模型、干扰模型以及虚拟故障注入，仿真计算机接收飞控管理系统传感器信息、飞控指令和伺服系统的操纵信号进行飞行仿真，实时飞行仿真的结果发送到物理效应设备并且返回到仿真总控台；飞控管理系统接收传感器系统的飞行传感器信息和遥控遥测系统的遥控信息，按照仿真总控台的飞行任务得到导航控制信息，发送到仿真计算机和伺服系统；伺服系统接收飞控管理系统的导航控制信息，实现舵机和操纵机构的真实操纵；传感器系统结合物理效应设备将获得的传感器信息传递给飞控管理系统；物理效应设备根据仿真计算机的仿真结果，模拟飞行器飞行状态；1)所述仿真总控台是由仿真总控程序和各种通信接口组成，仿真总控程序控制整个仿真系统的运行，通信接口则保证了仿真总控台和其他模块的通信连接，将仿真总控程序的数据向其他模块传递；在试飞前向飞控管理系统加载飞行任务，控制各个系统的检测过程，实时记录并监测仿真计算机的仿真飞行状态；该仿真总控程序的结构采用树状结构，根节点是用户控制节点，其次是无人飞行器类型选择，包含固定翼和直升机，接着是任务选择和参数注入，然后是飞行仿真，最后是仿真结果的分析和统计；其交互界面有三部分：一为飞行航迹仿真画面，包括飞行器的经、纬度，高度，飞行速度信息，处于飞行任务某个航段；其二为飞行器实时的三维动态显示；第三为遥测参数显示，包括GPS数据、舵机操纵量、发动机转速、发动机温度和各种故障报警；该通信接口包含仿真系统硬件涉及的各种通信接口形式；2)所述仿真计算机是仿真系统的核心，仿真计算机是要求能运行无人直升机导航仿真器的计算机，按照实际需要自行设计，也能选用现有产品；这里采用X86及X64架构的CPU，具备计算机主机、显示器、键盘和以太网集线器各部件；该无人直升机导航仿真器基于Windows平台、用VC++技术开发，将直升机数学模型嵌入其中，实时运行；直升机数学模型越复杂，阶数越高，对硬件要求也越高；同时还应考虑系统具有丰富的接口板卡能够选择，以供其他环节数据输入输出；具有良好的界面可视性和人机交互能力；仿真计算机能采用dSPACE及RT-LAB的实时仿真系统软硬件产品，dSPACE为一套基于MATLAB/Simulink的控制系统开发及半实物仿真的软硬件工作平台，RT-LAB为一套工业级系统实时仿真平台软件包，它们均能很好地支持MATLAB/Simulink、C及C++；3)所述飞控管理系统是本发明飞控仿真系统重点检测的部件，飞控管理系统由飞控计算机和管理计算机组成；它们之间的相互关系是：管理计算机根据从仿真总控台加载飞行任务、传感器信息以及遥控遥测信息得到导航控制律并传递给飞控计算机，飞控计算机用于运行控制内回路的控制律，经过解算得到导航操纵信号，实现对无人直升机的综合控制；该飞控计算机主要由主机板、输入接口板、输出接口板、计数器板以及电源板构成；它是按照实际需要自行设计，也能选用现有产品；其输入接口板接收各种传感器的数据并对数据进行处理，形成通用标准格式；主机板运行飞行控制程序，根据输入的各种信息，形成控制指令；输出接口板接收主机板的控制指令，转换成伺服系统需要的信号形式，发送给伺服系统；该管理计算机为一台X86及X64架构的CPU的计算机，也能使用一台实时仿真计算机代替；该实时仿真计算机硬件要求同前述仿真计算机类似；4)所述传感器系统包括无人直升机上用到的所有传感器；包括垂直陀螺、GPS/INS组合、大气数据机、无线电高度表、温度传感器、发动机转速传感器和油量传感器；它们之间是并列的关系；这些传感器信息是由真实的设备生成，亦能由数字模拟生成，所述传感器系统所得到的传感器信息通过真实物理接口与飞控计算机连接；该垂直陀螺由3个相互垂直的陀螺仪和加速度计组成，采用现...
【专利技术属性】
技术研发人员：王吉东，王立新，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：北京;11
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