飞行机器人控制系统半物理仿真平台技术方案

本发明专利技术涉及一种飞行机器人控制系统半物理仿真平台，包括飞行机器人飞行姿态显示/视景显示计算机，飞行机器人动力学模型仿真计算机，飞行机器人机载控制系统，无线电遥控器和飞行机器人地面监控计算机。飞行机器人控制系统半物理仿真平台可以同时对飞行机器人的软件、硬件系统和控制算法进行联机调试，最大程度的接近飞行机器人工作的实际工作状态；并且仿真实验可以通过飞行机器人机载控制系统中的执行舵机直接地验证控制信号的正确性；飞行机器人飞行姿态显示/视景显示计算机的三维显示也可以辅助地验证飞行机器人的工作状态及控制信号的正确性；本发明专利技术具有较强的通用性和较强的系统性，并且本发明专利技术的可操作性、展示性均较强，简便地应用于各种飞行机器人的半物理仿真实验中，避免系统的重复设计，同时大大简化了系统新功能扩展的测试工作。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种飞行机器人控制系统的半物理仿真平台，具体地说是一种基于软件、硬件结构相结合的飞行机器人仿真系统及其控制方法。
技术介绍
为了满足飞行机器人在控制系统软件设计和关键技术前期验证的需求，国内外学者构建了各种针对不同应用的飞行机器人的软件仿真(Software in the loopsimulation, SILS)平台。而单一的软件仿真平台并不能够满足飞行机器人控制系统对控制算法、系统功能以及结合系统硬件调试和研究的需求。半物理仿真,也称半实物、硬件在回路仿真(Hardware in the loop simulation,HILS)，在飞行机器人系统的设计与研发过程中有着极其重要的意义。尤其对于飞行机器人控制系统而言，具有高系统复杂性、多控制变量性以及由环境、天气等因素带来的不可预见性等特点。因此，针对飞行机器人控制系统建立的仿真环境是设计复杂控制系统、研究其关键技术、实现稳定控制策略以及系统各功能不可或缺的重要手段。飞行机器人控制半物理仿真系统是研究和开发飞行机器人控制系统过程中特有的一种仿真方法，它利用飞行机器人动力学模型仿真计算机结合飞行机器人机载控制器实物系统建立半物理仿真平台。与软件仿真系统不同的是，半物理仿真系统将真实的飞行机器人机载控制器的软、硬件系统置于仿真闭环中，对飞行机器人的全飞行过程、全飞行状态进行仿真，从而及时地发现并修改飞行机器人控制系统软、硬件在真实工作环境中存在的漏洞，有效地提高控制系统的可靠性。目前，在相关专利收索中尚未发现有关飞行机器人的半物理仿真系统。
技术实现思路
针对现有的软件仿真平台存在无法实现对于飞行机器人的控制算法、系统功能以及结合系统硬件调试的这一技术空白，提出了飞行机器人控制系统的半物理仿真系统。本专利技术采用的技术方案是:一种飞行机器人控制系统半物理仿真平台，包括飞行机器人飞行姿态显示/视景显示计算机，与飞行机器人动力学模型仿真计算机通信连接，用于实现飞行机器人飞行空域、地理地形人文建筑物、障碍物和实时/虚拟天气条件的三维模拟显示，以及各飞行机器人的飞行姿态的三维立体显示；飞行机器人动力学模型仿真计算机，存有飞行机器人动力学模型，与飞行机器人机载控制系统通信连接，用于根据各飞行机器人的动力学模型实时解算并生成一系列虚拟的传感器设备信号，实现飞行机器人的自主闭环控制，并完成与飞行机器人飞行姿态显示/视景显示计算机的通讯任务；飞行机器人机载控制系统，与飞行机器人动力学模型仿真计算机，无线电遥控器和飞行机器人地面监控计算机连接，用于完成对飞行机器人动力学模型仿真计算机发送的虚拟传感器设备信号的接收，将经过控制算法计算后获得的执行舵机控制信号发送到机器人动力学模型仿真计算机；无线电遥控器，与飞行机器人机载控制系统无线通信连接，实现飞行机器人飞行功能的切换，控制飞行机器人外带的负载设备，完成不同的飞行目的及各种飞行任务；飞行机器人地面监控计算机，与飞行机器人机载控制系统通讯连接；用于实现飞行机器人飞行状态以及飞行机器人健康状态的监控，对飞行机器人飞行任务的在线管理、飞行机器人飞行模式的切换，以及结合平面地图对飞行机器人的地理位置进行实时显示。所述飞行机器人机载控制系统包括:飞行机器人机载控制器，与飞行机器人地面监控计算机连接，根据获得的虚拟传感器设备信号，经由控制算法计算出完成控制目的所需要的飞行机器人执行舵机的控制信号；在仿真过程中，飞行机器人机载控制器可以连接执行舵机直接验证控制算法根据飞行状态自动产生的控制指令动作的正确性；飞行机器人工作状态指示模块，由三枚不同颜色的大功率高亮LED组成，根据飞行机器人所处的不同工作状态和飞行机器人本体的稳定程度，飞行机器人工作状态指示模块会点亮不同的LED组合以及闪烁方式，以此来指示和区分飞行机器人所处的不同的工作及飞行状态；执行舵机，接收来自飞行机器人机载控制器的控制信号，发送执行舵机控制信号到机器人动力学模型仿真计算机；无线接收模块，为无线接收模块，与无线遥控器进行通信，实现飞行机器人手动遥控飞行的模拟，完成手动遥控与飞行控制器自主飞行状态的切换。 所述飞行机器人机载控制器包括:导航传感器导航信息处理单元，控制算法处理单元，飞行数据存储单元，串口扩展单元，和系统供电及开关单元；导航传感器导航信息处理单元，将虚拟的传感器输出的原始数据信息，对其进行滤波计算后将处理后的导航信息发送给控制算法处理单元和飞行数据存储单元；控制算法处理单元，接收经导航传感器导航信息处理单元处理后的导航信息，经过控制算法计算后，控制算法处理单元得出达到控制目的的控制信号，并将其通过串口扩展单元发送到执行舵机； 飞行数据存储单元，接收来自导航传感器导航信息处理单元和控制算法处理单元的数据；用于存储原始导航数据、滤波处理后的导航数据、控制信号、飞行机器人工作状态以及后期分析所需的数据；串口扩展单元，通过RS-232串行通讯总线与飞行机器人地面监控计算机和飞行机器人动力学模型仿真计算机进行实时信息交换，并以ISP模式完成控制算法的写入功倉泛;系统供电及开关单元，给飞行机器人机载控制器供电；所述飞行机器人机载控制系统与飞行机器人动力学模型仿真计算机进行串行通 目;所述飞行机器人机载控制系统是通过飞行机器人机载控制器与飞行机器人地面监控计算机相连接并实现串口通信的。所述虚拟的传感器设备信号包括:飞行机器人的GPS坐标、飞行姿态角、三轴全局飞行加速度、三轴全局飞行速度、飞行姿态角变化率；所述飞行机器人飞行功能为飞行机器人航迹点飞行、圆周飞行、蛇形飞行、悬停、返航功能；所述飞行机器人飞行状态为飞行机器人手动飞行、半自动飞行、自主飞行；所述飞行机器人飞行姿态显示/视景显示计算机与飞行机器人动力学模型仿真计算机以TCP/IP网络通讯协议进行网络通信；可以配置成多飞行机器人显示模式，完成多飞行机器人多飞行任务的显示；同时，可以根据不同任务及显示要求，自主定制显示视角，实现任务完成状况的跟踪监测。所述飞行机器人地面监控计算机与飞行机器人机载控制系统的通讯还可以采用无线方式。所述飞行机器人半物理仿真平台中，飞行机器人动力学模型仿真计算机和飞行机器人机载控制器系统可以同时使用多套，通过飞行机器人地面监控计算机，实现飞行航迹、飞行状态的交互，进而实现多飞行机器人的编队和多任务的执行。所述飞行机器人执行舵机可以为多个；一种飞行机器人控制系统半物理仿真方法，包括以下步骤:初始化飞行环境及显示视角；飞行机器人机载控制器控制算法加载；开始仿真；飞行机器人动力学模型仿真计算机解算传感器信息，形成报文，串口输出到飞行机器人机载控制系统；飞行机器人机载控制器计算执行舵机控制信号，形成报文，串口输出，发送给飞行机器人动力学模型仿真计算机，进行下一步迭代计算；并通过飞行机器人飞行姿态显示/视景显示计算机进行实时显示；同时，计算所得的执行舵机控制信号将以模拟量形式发送给执行舵机进行控制；飞行机器人动力学模型仿真计算机迭代计算后进行步骤4。本专利技术具有以下有益效果及优点:1.与单纯的飞行机器人软件仿真平台不同，飞行机器人控制系统半物理仿真平台可以同时对飞行机器人的软件、硬件系统和控制算法进行联机调试，最大程度的接近飞行机器人工作的实际工作状态；2.仿真实验可以通过飞行机器人本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种飞行机器人控制系统半物理仿真平台，其特征在于：包括飞行机器人飞行姿态显示/视景显示计算机(1)，与飞行机器人动力学模型仿真计算机(2)通信连接，用于实现飞行机器人飞行空域、地理地形人文建筑物、障碍物和实时/虚拟天气条件的三维模拟显示，以及各飞行机器人的飞行姿态的三维立体显示；飞行机器人动力学模型仿真计算机(2)，存有飞行机器人动力学模型，与飞行机器人机载控制系统(3)通信连接，用于根据各飞行机器人的动力学模型实时解算并生成一系列虚拟的传感器设备信号，实现飞行机器人的自主闭环控制，并完成与飞行机器人飞行姿态显示/视景显示计算机(1)的通讯任务；飞行机器人机载控制系统(3)，与飞行机器人动力学模型仿真计算机(2)，无线电遥控器(4)和飞行机器人地面监控计算机(5)连接，用于完成对飞行机器人动力学模型仿真计算机(2)发送的虚拟传感器设备信号的接收，将经过控制算法计算后获得的执行舵机控制信号发送到机器人动力学模型仿真计算机(2)；无线电遥控器(4)，通过无线接收模块(3?4)与飞行机器人机载控制系统(3)无线通信连接，实现飞行机器人飞行功能的切换，控制飞行机器人外带的负载设备，完成不同的飞行目的及各种飞行任务；飞行机器人地面监控计算机(5)，与飞行机器人机载控制系统(3)通讯连接；用于实现飞行机器人飞行状态以及飞行机器人健康状态的监控，对飞行机器人飞行任务的在线管理、飞行机器人飞行模式的切换，以及结合平面地图对飞行机器人的地理位置进行实时显示。...

【技术特征摘要】
1.一种飞行机器人控制系统半物理仿真平台，其特征在于:包括 飞行机器人飞行姿态显示/视景显示计算机(I)，与飞行机器人动力学模型仿真计算机(2)通信连接，用于实现飞行机器人飞行空域、地理地形人文建筑物、障碍物和实时/虚拟天气条件的三维模拟显示，以及各飞行机器人的飞行姿态的三维立体显示； 飞行机器人动力学模型仿真计算机(2)，存有飞行机器人动力学模型，与飞行机器人机载控制系统(3)通信连接，用于根据各飞行机器人的动力学模型实时解算并生成一系列虚拟的传感器设备信号，实现飞行机器人的自主闭环控制，并完成与飞行机器人飞行姿态显示/视景显示计算机(I)的通讯任务； 飞行机器人机载控制系统(3)，与飞行机器人动力学模型仿真计算机(2)，无线电遥控器(4)和飞行机器人地面监控计算机(5)连接，用于完成对飞行机器人动力学模型仿真计算机(2)发送的虚拟传感器设备信号的接收，将经过控制算法计算后获得的执行舵机控制信号发送到机器人动力学模型仿真计算机(2); 无线电遥控器(4)，通过无线接收模块(3-4)与飞行机器人机载控制系统(3)无线通信连接，实现飞行机器人飞行功能的切换，控制飞行机器人外带的负载设备，完成不同的飞行目的及各种飞行任务； 飞行机器人地面监控计算机(5)，与飞行机器人机载控制系统(3)通讯连接；用于实现飞行机器人飞行状态以及飞行机器人健康状态的监控，对飞行机器人飞行任务的在线管理、飞行机器人飞行模式的切换，以及结合平面地图对飞行机器人的地理位置进行实时显/Jn ο2.根据权利要求1所述的飞行机器人控制系统半物理仿真平台，其特征在于:所述飞行机器人机载控制系统(3)包括: 飞行机器人机载控制器(3-1)，与飞行机器人地面监控计算机(5)连接，根据获得的虚拟传感器设备信号，经由控制算法计算出完成控制目的所需要的飞行机器人执行舵机(3-3)的控制信号；在仿真过程中，飞行机器人机载控制器(3-1)可以连接执行舵机(3-3)直接验证控制算法根据飞行状态自动产生的控制指令动作的正确性； 飞行机器人工作状态指示模块(3-2)，由三枚不同颜色的大功率高亮LED组成，根据飞行机器人所处的不同工作状态和飞行机器人本体的稳定程度，飞行机器人工作状态指示模块(3-2)会点亮不同的LED组合以及闪烁方式，以此来指示和区分飞行机器人所处的不同的工作及飞行状态； 执行舵机(3-3)，接收来自飞行机器人机载控制器(3-1)的控制信号，发送执行舵机控制信号到机器人动力学模型仿真计算机(2); 无线接收模块(3-4)，为无线接收模块，与无线电遥控器(4)进行通信，实现飞行机器人手动遥控飞行的模拟，完成手动遥控与飞行控制器自主飞行状态的切换。3.根据权利要求2所述的飞行机器人控制系统半物理仿真平台，其特征在于:所述飞行机器人机载控制器(3-1)包括:导航传感器导航信息处理单元(3-1-1)，控制算法处理单元(3-1-2)，飞行数据存储单元(3-1-3)，串口扩展单元(3-1-4)，和系统供电及开关单元(3-1-5)； 导航传感器导航信息处理单元(3-1-1)，将虚拟的传感器输出的原始数据信息，对其进行滤波计算后将处理后的导航信息发送给控制算法处理单元(3-1-2)和飞行数据存储单元(3-1-3)； 控制算法处理单元(3-1-2)，接收经导航传感器导航信息处理单元(3-...

【专利技术属性】
技术研发人员：韩建达，齐俊桐，吴镇炜，宋大雷，王子铭，
申请(专利权)人：中国科学院沈阳自动化研究所，
类型：发明
国别省市：