無人機舵機HIL仿真方法研究
王志遠，閆建國，孫倩
(西北工業(yè)大學(xué)．陜西西安710072)
摘要：為簡化編程及優(yōu)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(shè)計了系統(tǒng)硬件，構(gòu)建了基于Simulink的舵機控制系統(tǒng)HlL仿真模型，可實時在線調(diào)整模型參數(shù)及監(jiān)視仿真數(shù)據(jù)，實現(xiàn)了舵機的位置隨動控制。實驗結(jié)果表明，系統(tǒng)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(guān)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(dǎo)系統(tǒng)的主要組成部分，是操縱機動飛行的重要執(zhí)行機構(gòu)。為確保軟件的可靠性，需建立相應(yīng)的仿真系統(tǒng)對其進行驗證。
一般的開發(fā)過程雖然能在純數(shù)字仿真階段使用Matlab等仿真軟件開發(fā)仿真模型，但還需要人工把純數(shù)字仿真使用的模型翻譯成可被實時仿真機執(zhí)行的代碼而不能直接利用數(shù)字模型。如何利用已開發(fā)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?qū)崿F(xiàn)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(fā)量，避免各種手工編寫代碼出現(xiàn)的錯誤，縮短舵機控制軟件的開發(fā)周期。
本文設(shè)計了一種無人機舵機的HIL(Hardwarein the 1oop)實時仿真系統(tǒng)，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(tǒng)開發(fā)過程中驗證新的控制率，提高產(chǎn)品開發(fā)速度。1 HlI。實時仿真方法
HlL仿真是目前國外控制系統(tǒng)設(shè)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(jié)合起來，將實際驅(qū)動電路電機一傳感器替代其實時模型，與實際控制器構(gòu)成閉環(huán)測試系統(tǒng)，可將仿真結(jié)果直接用于實時控制，極大提高控制系統(tǒng)的設(shè)計效率。
H1L實時仿真方法就是應(yīng)用Matlab／simulink模塊框圖建立起仿真系統(tǒng)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(nèi)運行的仿真模型的實時c代碼，實時在線調(diào)整仿真參數(shù)，并根據(jù)仿真數(shù)據(jù)修改模型，如此反復(fù)直到滿足設(shè)計要求為止。HIL實時仿真方法實現(xiàn)了一種新的快速的從全數(shù)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(chǔ)將DsP內(nèi)部集成的外設(shè)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(biāo)板中運行。在整個過程中設(shè)計者只要專注于在Matkb的圖形化設(shè)計環(huán)境中建模、仿真，針對DsP的代碼將自動生成，無需設(shè)計者編寫源代碼。
2舵機HIL仿真的設(shè)計與實現(xiàn)
搭建系統(tǒng)硬件、構(gòu)建HILs模型后，就實現(xiàn)了無人機舵機HIL半實物實時仿真系統(tǒng)�；谶@個系統(tǒng)可方便地多次進行算法調(diào)整，在線實時修改仿真模型或調(diào)整控制律參數(shù)，反復(fù)修改，直到獲得滿意、符合舵機技術(shù)指標(biāo)。
2 1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
無人機舵機HIL仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示，其為位置環(huán)閉環(huán)控制系統(tǒng)。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(qū)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(gòu)成的主控制電路，完成各種模擬、數(shù)字信號的采集和提供電機驅(qū)動信號，并與上位機進行通信。DsP代碼由Simu1ink模型自動產(chǎn)生從而完成軟件實現(xiàn)。
功率驅(qū)動采用H橋集成芯片BD6221，內(nèi)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(wěn)定性都有大幅提高。系統(tǒng)選用微型有刷直流電動機作為原始動力部件，接收功率驅(qū)動發(fā)送的單路PwM信號，帶動舵面的偏轉(zhuǎn)。
系統(tǒng)選用精密導(dǎo)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(zhuǎn)其阻值將線性變化，輸出電壓值則反映了舵面實際的偏轉(zhuǎn)角。
主控制電路中DsP接收位置反饋信號，經(jīng)處理后上傳上位機，在simmulink模型中解算控制律，產(chǎn)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(qū)動電路向電機發(fā)送控制指令從而控制電機運行。
2 2位置環(huán)控制率設(shè)計
位置環(huán)直接決定舵機伺服控制系統(tǒng)的動、靜態(tài)性能指標(biāo)，系統(tǒng)位置環(huán)調(diào)節(jié)采用增量式PID控制算法，能保證系統(tǒng)有較快的響應(yīng)速度，同時具有較好的靜態(tài)性能和小超調(diào)量。
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