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无人机飞控系统仿真平台关键技术研究

作　者: 李浩
导　师: 肖前贵
学　校: 南京航空航天大学
专　业: 武器系统与运用工程
关键词: 飞行控制 RTAI-Linux RTAI-Lab 快速原型 RTW 仿真
分类号: V249.1
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
下　载: 248次
引　用: 2次
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内容摘要


仿真技术对无人机飞控系统的研究及测试具有重要的作用。但是,传统飞行控制系统仿真中,从全数字仿真到半物理仿真的过渡过程,往往面临信息交流困难、代码开发量大的问题。针对这一问题,本文研究基于RTAI-Lab工具链和嵌入式实时Linux系统,构建飞控系统仿真平台。首先,建立了数字仿真平台。该平台由飞控仿真模型和飞行仿真模型组成,飞控仿真模型基于有限状态机原理,利用Stateflow工具构建;飞行仿真模型以某型无人机动力学模型为背景,利用Simulink模块构建;另外,在理论上分析了发射阶段无人机的受力情况,并建立了起飞发射段数学模型。其次,采用主机-目标机的方式实现了快速原型化开发环境。在目标机CF卡上,利用Linux 2.6内核和Linux实时扩展RTAI,开发了嵌入式实时Linux系统;在主机上,构建了RTAI-Lab工具链,该工具链作为飞行控制快速原型化的软件环境。再次,建立了飞行控制快速原型仿真平台。利用Stateflow Coder编译RTW目标,飞控仿真模型自动生成RTAI-Linux目标程序;在Linux用户空间,利用LXRT开发了串口实时通讯程序,并将其嵌入至RTAI-Linux目标程序中,解决了快速原型仿真过程中目标程序与飞行仿真机间数据交互访问的问题。本文仿真平台实现了仿真系统开发的自动化,具有快速、灵活、低成本的特点,满足无人机飞行控制仿真系统开发要求。

全文目录


摘要  4-5
ABSTRACT  5-13
第一章 绪论  13-20
  1.1 引言  13
  1.2 飞行控制系统仿真概述  13-14
  1.3 飞控系统仿真技术需求  14-15
  1.4 国内外研究现状  15-16
  1.5 研究目标、内容与意义  16-18
  1.6 章节安排  18-20
第二章 数字仿真平台实现  20-46
  2.1 数字仿真平台总体框架  20-21
  2.2 基于Stateflow 的飞控仿真  21-32
    2.2.1 Stateflow 简介  21-23
    2.2.2 飞行模态分类及控制  23
    2.2.3 飞行模态管理的Stateflow 实现  23-25
    2.2.4 无人机遥控飞行控制逻辑  25-27
    2.2.5 无人机自主飞行控制逻辑  27-29
    2.2.6 飞行模态的Stateflow 实现  29-32
  2.3 基于Simulink 的飞行仿真  32-37
    2.3.1 坐标系及参数定义  32-33
    2.3.2 无人机非线性数学模型  33-35
    2.3.3 Simulink 环境下飞行仿真模型实现  35-37
  2.4 火箭助推无人机起飞发射段建模  37-40
    2.4.1 在轨滑行和火箭助推阶段受力分析  37
    2.4.2 在轨滑行阶段  37-38
    2.4.3 火箭助推阶段  38-39
    2.4.4 助推火箭脱落阶段受力分析  39-40
  2.5 数字仿真平台测试  40-45
    2.5.1 火箭助推无人机起飞发射段模型验证  40-42
    2.5.2 数字仿真平台飞行仿真测试  42-45
  2.6 本章小结  45-46
第三章 快速原型化开发环境搭建  46-68
  3.1 开发嵌入式实时 Linux 操作系统  46-61
    3.1.1 概述  46-50
    3.1.2 嵌入式实时Linux 系统开发步骤  50
    3.1.3 嵌入式实时Linux 系统开发环境  50-52
    3.1.4 开发嵌入式实时Linux 系统  52-56
    3.1.5 嵌入式实时Linux 系统移植  56-57
    3.1.6 嵌入式Linux 系统实时性测试  57-61
  3.2 基于RTAI-Lab 的快速原型化软件环境  61-64
    3.2.1 RTAI-Lab 简介  61-62
    3.2.2 主机搭建RTAI-Lab  62-64
  3.3 快速原型化开发环境有效性验证  64-67
  3.4 本章小结  67-68
第四章 快速原型仿真平台实现  68-85
  4.1 快速原型仿真平台总体框架  68-69
  4.2 实时工作空间RTW  69-74
    4.2.1 RTW 简介  69
    4.2.2 RTAI-Linux 目标程序创建过程  69-71
    4.2.3 RTW 目标程序结构  71-72
    4.2.4 RTW 生成代码的执行过程  72-74
  4.3 自定义 RTAI-Linux 目标配置文件  74-75
  4.4 RTAI-Linux 串口实时通讯程序开发  75-79
    4.4.1 RTAI-Linux 驱动多串口卡  75
    4.4.2 RTAI 串口实时通讯程序开发  75-76
    4.4.3 LXRT 程序架构及编程  76-78
    4.4.4 串口实时通讯程序设计  78-79
  4.5 RTW 串口接口函数实现  79-82
    4.5.1 串口实时通讯程序嵌入RTAI-Linux 目标主程序  80-81
    4.5.2 目标程序和飞行动力学仿真软件数据交互  81-82
  4.6 快速原型仿真平台测试  82-84
    4.6.1 串口实时通讯测试  83
    4.6.2 快速原型仿真平台飞行仿真测试  83-84
  4.7 本章小结  84-85
第五章 总结与展望  85-87
  5.1 本文研究工作总结  85
  5.2 进一步研究工作  85-87
参考文献  87-91
致谢  91-92
在学期间的研究成果及发表的学术论文  92

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中图分类: > 航空、航天 > 航空 > 航空仪表、航空设备、飞行控制与导航 > 飞行控制系统与导航 > 飞行控制
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