基于模型的無人機飛控系統(tǒng)設計及驗證

某型無人機飛行控制系統(tǒng)以飛行控制計算機為核心，包括傳感器部件、運動舵機、測控鏈路等，可以實現(xiàn)自主起飛與返場著陸、自主執(zhí)行任務。

無人機飛控系統(tǒng)主要功能包括：三軸控制增穩(wěn)和姿態(tài)保持、自主導航、機載系統(tǒng)管理、應急處置等。主要機載設備包括：飛行控制計算機、大氣數(shù)據(jù)系統(tǒng)、舵機、測控系統(tǒng)測量采集系統(tǒng)、起落架系統(tǒng)、前輪轉彎系統(tǒng)、發(fā)動機等。

基于ATSPACE無人機數(shù)字孿生設計平臺，進行某型無人機飛控系統(tǒng)設計及驗證，主要內容如下：

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

2）在1）基礎上，開展系統(tǒng)架構模型設計、完成系統(tǒng)運行模型與系統(tǒng)控制模型綜合設計，并使用了模型接口將系統(tǒng)運行模型與系統(tǒng)控制模型進行綜合，結合飛機動力學模型、環(huán)境模型、地面站系統(tǒng)等，形成了具有“虛擬鐵鳥”特征的無人機飛行控制系統(tǒng)虛擬測試環(huán)境，實現(xiàn)基于模型的全系統(tǒng)綜合集成試驗

3）最后使用自動代碼生成技術生成機載軟件，實現(xiàn)機載系統(tǒng)模型到機載代碼的自動轉換，加載到飛行控制計算機中，完成半實物鐵鳥綜合試驗、滑行及飛行試驗

基于模型開發(fā)的工作流程

?  設計環(huán)節(jié)。建立模型與需求文檔的鏈接，實現(xiàn)模型與需求的雙向可追溯性。基于高層需求進行模型的設計，在模型設計過程中可以不斷通過仿真檢驗設計結果從而反復迭代優(yōu)化設計。模型代替?zhèn)鹘y(tǒng)設計流程中詳細設計文檔。

?  實現(xiàn)環(huán)節(jié)。通過自動生成代碼實現(xiàn)從設計（Design）到實現(xiàn)（Implementation）的過渡，簡化傳統(tǒng)設計流程中多次建模的重復勞動，使工程師更加專注于各自的專業(yè)。

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

基于模型的無人機飛控系統(tǒng)集成開發(fā)環(huán)境

在系統(tǒng)運行場景模型和系統(tǒng)架構模型設計時，使用了SYSML語言和IBM Rhapsody工具；

在系統(tǒng)運行模型和系統(tǒng)控制算法時，則使用了MATLAB/Simulink/Stateflow設計；

模型驗證

驗證過程如下：

ü  模型逐級傳遞，使用Maltlab等工具完成運行場景模型和系統(tǒng)功能模型的設計與仿真驗證；

ü  在模型集成綜合階段，采用Matlab/Simulink作為模型運行平臺，基于ATSPACE無人機數(shù)字孿生設計平臺完成模型綜合集成驗證，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/試驗環(huán)境的聯(lián)合試驗，在初步設計階段即對系統(tǒng)完成了集成驗證與虛擬飛行試驗，確認了全系統(tǒng)功能/性能滿足飛行控制系統(tǒng)的研制需求；

ü  基于模型的經過前期充分驗證后的機載系統(tǒng)，在半實物試驗/機上地面試驗/試飛驗證過程中，相較于傳統(tǒng)的型號研發(fā)，減少了很多不必要的設計反復迭代，縮短了試驗驗證周期，顯著地減少了物理試驗的次數(shù)和成本。

MIL(Model-in-the-Loop Simulation)—模型在環(huán)測試

MIL(Model-in-the-Loop Simulation)—模型在環(huán)測試

將控制算法模型和被控對象模型連起來形成閉環(huán)，即在模型層面上實現(xiàn)閉環(huán)測試。如圖對無人機系統(tǒng)設計的非控制律和控制律部分進行綜合，確認系統(tǒng)功能/性能是否滿足設計要求。主要檢查項目包括系統(tǒng)模型與試驗環(huán)境的接口、試驗環(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)測試

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

SIL測試的目的就是為了驗證自動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)測試

當控制系統(tǒng)設計結束，并已制成產品型控制器，需要在閉環(huán)下對其進行詳細測試。但由于種種原因如：極限測試、失效測試，或在真實環(huán)境中測試費用較昂貴等，使測試難以進行，例如：在積雪覆蓋的路面上進行飛機防抱死裝置（ ABS ）控制器的小摩擦測試就只能在冬季有雪的天氣進行；

有時為了縮短開發(fā)周期，則在控制器運行環(huán)境不存在的情況下對其進行測試。

無人機飛控系統(tǒng)硬件在環(huán)測試

驗證結果

通過基于模型的ATSPACE無人機數(shù)字孿生設計平臺進行某型無人機飛控系統(tǒng)的開發(fā)，有效地改進了現(xiàn)有的飛行控制系統(tǒng)設計流程，在設計前期完成了系統(tǒng)/控制律/地面站的虛擬飛行試驗，形成了一種基于模型的系統(tǒng)研發(fā)模式和設計流程，大量減少了真實物理試驗的次數(shù)，提高了系統(tǒng)早期的設計成熟度，顯著地提升了該型無人機系統(tǒng)的研發(fā)效率。