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使用NI公司的LabVIEW和PXI,开发一个实时微型飞行器飞行控制系统测试台

来源: 作者: 时间:2010-02-26 Tag:LabVIEW   点击:

我们使用LabVIEW和NI公司的PXI硬件,与两个开发团队一起实现了两个飞行器的完全动态控制飞行控制.

现代微电子机械系统中的小型化趋势引起了人们对微型飞行器的研究和开发的兴趣。微型飞行器能够解决在不同环境下监视,测绘和作战等挑战的潜力已受到包括美国空军在内的许多机构的关注。

 尽管微型飞行器开发中的许多技术难题已经解决,但仍然还有许多挑战尚未得到解决。因为许多设想的微型飞行器的大小尺寸和机动性要求,需要一个非常规的方法来推进,如扑翼,特别是飞行控制的设计仍然是一个悬而未决的问题。

为了促进未来微型飞行器平台的飞行控制开发和测试,我们使用LabVIEW开发系统和NI PXI硬件,为美国空军创建了实时微型飞行器飞行控制系统测试台。该解决方案由第三方运动捕获系统,实时命令,运行在PXI机上的控制应用程序,一个运行LabVIEW软件的开发PC,和飞行器发射机接口组成。

实时运动捕获

运动捕获系统由位于整个测试环境下均匀分布的36个高速摄相机组成。我们将每个摄相机通过专用高速网络接口连接到四个配位仪组件中的其中一个上。每个配位仪通过标准网络连接被连到中央视觉服务器。我们使用小粘着标志来配置中央服务器,以跟踪预定实体的位置和方向。每个摄相机在其视觉窗口范围内测量反射标志的相对位置,将此信息转发给中央服务器,然后中央服务器计算在0.1mm范围内所有已定义实体的位置和方向。

运行在PXI硬件上的控制应用程序,通过标准网络连接,接收运动捕获系统的实时位置和方向数据。我们将该数据以TCP包的形式,以至少120Hz的频率发送至PXI上,每个TCP数据包包括测试环境下所有被跟踪对象的空间数据。

考虑到飞行控制系统的重要实时特性,解析的输入数据必须跟上运动捕获发送速率,而且不能丢失数据包。在这个应用程序中,丢失包不仅使程序无用,而且如果服务器试图重新发送丢失的数据,将有潜在的危险。由LabVIEW提供的网络通信模块能处理流数据,因为PXI控制应用程序总是能够向每个输入数据提供足够剩余的时间。

飞行器发射机接口

PXI控制应用程序除了处理输入空间数据的解析和按每个时间为步长计算飞行控制算法,它还传递命令给飞行无线电发射机。在此应用程序中,我们使用标准爱好者无线电发射机发送执行命令给飞行器。

发射机配备了“训练者端口”,允许外部脉冲位置调制信号(PPM)来控制执行命令传输。我们使用第三方基于微处理器设备,以包的形式从RS232串口接收输入,产生脉冲位置调制信号。PPM信号的每个脉冲具有一个特定的长度,其代表微秒值的数据包。每个值对应了脉冲被转换前所允许保留在其特定逻辑层的时间。一旦值被转换,下一个脉冲被激活。

PXI控制应用程序以特定的速度将这些RS232数据包发送给发射机接口。如果数据包以偏离50Hz的频率发送,它将会导致不可预知的行为;因此,一个确定性的过程是必须的,LabVIEW中定时循环结构使得数据包以所需要的速率发送。

快速控制规则开发

为了提供微型飞行器快速测试和控制规则开发的方法,我们使用了LabVIEW仿真接口工具包,其在MathWorks公司的Simulink®开发系统和飞行控制系统测试台间提供了一个重要链接。我们使用专门处理飞行控制器的定时循环结构,创建了PXI应用程序。我们还为想要测试一个新的飞行控制器和飞行器的研究人员设计并提供了VIs包。我们建立了飞行控制系统,因此,用户只需要将Simulink模型导入到VI包中,将控制器的输入和输出数据发送给VI包所提供的信号。另外,用户还可以使用相同的VI包导入LabVIEW单独设计的飞行器控制器。

利用多核技术的可靠性

微型飞行器控制系统在程序执行时,需要有高度的确定性。如果两个或多个任务发生了资源竞争,该实时系统的分布特性会呈现可能的故障点。该程序由处理输入空间数据、运行飞行控制器、将发射机输出数据打成包和显示图像信息给用户的专门循环组成。因为每次循环必须以指定的时间间隔运行,不能互相发生冲突,我们在多核PXI机上为LabVIEW定时循环结构分配特定核和优先权。我们还给每个进程一个特定的时间偏移,以防止被分配了相同资源的任何两个进程互相冲突。

测试结果

因为我们设计的系统是为了辅助未来微型飞行器平台的开发,所以我们使用现有的无线电遥控空间飞行器实现了验证。成功飞行的第一架飞行器是四旋翼式旋翼机。在项目开始的前一个月内,我们飞行了旋翼机。我们还对飞行机动性参数进行了测试,如固定悬停,辅助移动物体,图8飞行器和路径跟踪。

为了证实系统的模块性,我们使用第二架飞行器进行了飞行测试,它是标准的螺距直升机。我们很快设计和加载了第二架飞行控制器到VI包中。螺距直升机到达测试台上的当天,就成功完成了测试,包括反馈控制器的“调整”,这证明了我们达到了系统模块性能的要求。假设用户带着飞行器和功能反馈控制器到达测试台,实际上,飞行测试从一开始到完成只需要不到一个小时的安装时间。

我们方法的优势

该项目的雄心目标是在两个月内开发一个稳定盘旋四旋翼飞行器。我们使用LabVIEW 和 NI 公司的PXI硬件,与两个开发团队一起实现了两架飞行器的全自动飞行控制。我们使用定时循环结构,保证了程序执行时间的确定性。此外,我们方法的灵活性在于允许与大多数硬件快速交互,大大降低了开发难度,这有助于我们控制设计团队的新手满足所有我们目标的要求。


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