無人機舵機HIL仿真方法研究

    王志遠，閆建國，孫倩

    (西北工業大學．陜西西安710072)

    摘要：為簡化編程及優化控制律，介紹了一種無人機舵機的HlL實時仿真方法。詳細設計了系統硬件，構建了基于Simulink的舵機控制系統HlL仿真模型，可實時在線調整模型參數及監視仿真數據，實現了舵機的位置隨動控制。實驗結果表明，系統具有較好的實時性，能夠較全面驗證舵機控制軟件的可靠性，加快了舵機及無人機的研制。

    關鍵詞：無人機舵機；HlL仿真；位置隨動控制

O引  言

    舵機作為無人機制導系統的主要組成部分，是操縱機動飛行的重要執行機構。為確保軟件的可靠性，需建立相應的仿真系統對其進行驗證。

    一般的開發過程雖然能在純數字仿真階段使用Matlab等仿真軟件開發仿真模型，但還需要人工把純數字仿真使用的模型翻譯成可被實時仿真機執行的代碼而不能直接利用數字模型。如何利用已開發好的仿真模型，并直接把這些模型放到仿真機中運行呢?Matlah的ETTc2000能夠實現這一功能。使用基于Matlab／ETTTIc2000的HIL實時仿真方法將大大減少仿真軟件的開發量，避免各種手工編寫代碼出現的錯誤，縮短舵機控制軟件的開發周期。

    本文設計了一種無人機舵機的HIL(Hardwarein the 1oop)實時仿真系統，利用Matlab 7. l提供的ETTIc2000進行可視化模塊編程，在舵機控制系統開發過程中驗證新的控制率，提高產品開發速度。1 HlI。實時仿真方法

    HlL仿真是目前國外控制系統設計的常用仿真方法，將計算機仿真(純軟件)和實時控制(硬件在回路)有機結合起來，將實際驅動電路電機一傳感器替代其實時模型，與實際控制器構成閉環測試系統，可將仿真結果直接用于實時控制，極大提高控制系統的設計效率。

    H1L實時仿真方法就是應用Matlab／simulink模塊框圖建立起仿真系統模型，以圖形化的方式對算法進行概念化，在搭建起半實物仿真硬件平臺后使用ETrIc2000自動代碼生成功能，生成可在DsP內運行的仿真模型的實時c代碼，實時在線調整仿真參數，并根據仿真數據修改模型，如此反復直到滿足設計要求為止。HIL實時仿真方法實現了一種新的快速的從全數字仿真到半實物仿真的一體化過程。其仿真流程圖如圖1所示。

ETTIc2000(Emhedded TI 2000)DsP工具箱專門針對TI公司2000系列DsP，以ccsLInk為基礎將DsP內部集成的外設模塊以Simulink模塊的形式給出，通過Madab中Real-Time workshop生成ccs IDE中特定DsP的c代碼并完成編譯、鏈接同時下裝到目標板中運行。在整個過程中設計者只要專注于在Matkb的圖形化設計環境中建模、仿真，針對DsP的代碼將自動生成，無需設計者編寫源代碼。

2舵機HIL仿真的設計與實現

搭建系統硬件、構建HILs模型后，就實現了無人機舵機HIL半實物實時仿真系統。基于這個系統可方便地多次進行算法調整，在線實時修改仿真模型或調整控制律參數，反復修改，直到獲得滿意、符合舵機技術指標。

2 1系統結構

無人機舵機HIL仿真系統結構如圖2所示，其為位置環閉環控制系統。主要由上位機(Pc機)、主控制電路、位置反饋采樣電路、電機功率驅動電路、直流電動機等組成。以TI公司TMS320F2812為主控芯片及其外圍電路構成的主控制電路，完成各種模擬、數字信號的采集和提供電機驅動信號，并與上位機進行通信。DsP代碼由Simu1ink模型自動產生從而完成軟件實現。

    功率驅動采用H橋集成芯片BD6221，內部集成了故障檢測、過流過壓保護等多種功能，極大簡化了硬件電路，可靠性與穩定性都有大幅提高。系統選用微型有刷直流電動機作為原始動力部件，接收功率驅動發送的單路PwM信號，帶動舵面的偏轉。

系統選用精密導電塑料線性電位計作為位置采樣裝置，與舵面搖臂同軸相連。電位計旋轉其阻值將線性變化，輸出電壓值則反映了舵面實際的偏轉角。

主控制電路中DsP接收位置反饋信號，經處理后上傳上位機，在simmulink模型中解算控制律，產生電機PwM控制信號，再將自動生成的模型代碼下裝到DsP并運行，通過驅動電路向電機發送控制指令從而控制電機運行。

2 2位置環控制率設計

位置環直接決定舵機伺服控制系統的動、靜態性能指標，系統位置環調節采用增量式PID控制算法，能保證系統有較快的響應速度，同時具有較好的靜態性能和小超調量。