0 引 言

舰载型无人直升机是在海况环境下飞行并以海面移动的舰艇或船舶为起飞和回收平台的，其飞行受到海风复杂环境影响；其起飞回收受到空间、时效性、动态性以及精确性等因素的约束[1]。因此舰载型无人直升机飞行控制要比陆基的控制难度大。为了降低研制成本、减小试飞风险，舰载无人直升机飞行仿真系统的设计开发则尤为重要[2]。

另一方面，知识和创造力存在着所谓的张力理论，即倒U关系．学生过多的知识和操作自动化并不会带来创造性的成果，相反会损伤知识运用的灵活性，形成思维定势；这种过分强调知识和逻辑的情形，使得大脑左半球得以发展，而与创造力有关的右半球则被忽视；还容易让学生持有模式化解题的消极观念，从而阻碍想象力，限制好奇心和放手操作[22]．

针对飞行控制仿真验证系统，国内外学者展开了大量研究，多是以常规陆基飞行仿真的技术要求开发的[3-4]，尚不能满足海基环境和特殊功能要求下的仿真验证。本文针对某型无人直升机由陆基型升级为海基型的技术要求，提出了其飞行控制仿真的系统方案，然后建立了舰船、直升机运动学模型和舰机仿真通信机制，并基于桌面端实时操作系统设计了飞行控制软件(以下称“等效飞控”)的整体架构。随后针对仿真过程中的视景软件驱动、舰面控制软件等技术细节给出了具体的实现方案。最后通过仿真测试验证了系统的可行性，从而为舰载无人直升机飞行控制系统的研制奠定了基础。

（2）经济管理。长期以来，由于水资源伸手即来，人们对水资源的价值缺乏进一步的更深的认识。所以在弥补行政手段不足的同时，我们每一个个体都应重新确立水的意义和价值，与此同时政府建立以水权为操作的核心、以水价为操作的通用手段、有偿使用水资源的社会主义市场机制。所以水权的初始分配必须通过政府机构进行并建立相应的标准。

1 需求分析与方案设计

为了实现海基环境下无人直升机飞行与起降回收控制，需要舰船与机载飞控系统进行实时地信息交换和有效控制，机载飞控需要实时地获取直升机与舰船的相对和绝对运动信息，同时舰船的实时摇晃和运动信息也要传输到机载飞控。因此，需要两套数据通信系统来实现舰/机信息交换：一是常规的飞控地面站测控链路；二是舰/机运动信息的通信链路。此外，还要进行舰船运动建模，并对地面站软件、飞行视景软件以及飞行控制软件等做出更改。根据上述技术需求，提出了如图1所示的方案，其中X-Plane主要完成对包括UMH以及着舰干扰等在内的仿真模型的动态解算和视景显示，等效飞控则是实现无人直升机导航解算、制导与控制的相关实时运算。舰载地面站负责接收操作人员指令，并展示着舰轨迹和相关数据。操纵杆提供备份控制通道。在紧急状况下操作人员可以手动控制返航。转发中继则是实现网络通信和串口通信之间的转换。

  

图1 着舰仿真系统整体架构示意图

2 系统设计与实现

式中：状态量包括三轴位移、三轴速度、三轴角速率和地面系欧拉角。输入量包括总距、纵横向周期变距和尾桨距。

2.3 等效飞行控制等效飞行控制软件根据舰船和UMH的位姿信息完成导航、制导与控制的解算，实现对无人直升机着舰的精确控制。相当于桌面端的虚拟飞行控制计算机。软件开发平台为Visual Studio,开发语言为C语言。组成模块间数据输入输出关系如图3所示，各个模块之间采用共享内存的方式进行数据交换。每个模块都至少包含一个实时循环运算任务，各任务的频率、优先级、堆栈大小由表1给出。数据融合和导航解算负责为制导模块和控制模块提供飞行绝对和相对位姿信息，数据融合兼有滤波和传感器容错功能。制导模块分为水平模态管理和垂直模态管理，UMH水平模态包括：悬停、回转、纵飞、横飞、直飞、转弯、定速跟随等。垂直模块包括自动起飞、定高跟踪、自动着舰、自动回收等模态。控制律解算任务根据制导模块给出的控制指令的同时采用经典的PID控制完成对纵向、横向、航向和总距四个通道变距同步解算，为了防止输出变距的跳变，同时进行的还有变距软化。通信模块由数据接收任务和数据发送两个子任务构成，采用查询方式完成与转发中继之间的串口通信。数据记录模块以数据流形式存储控制参数和飞行数据，是整个飞控软件的“黑盒子”。

从目前的教学实践来看，不少任课教师无法全面实现上述培养目标，存在一些亟待解决的细节问题，主要集中在以下五个方面：

(1)

Rotorlib提供了专门的配平/线性化接口。配平操作按高度和速度矢量计算配平状态。

[xtrimutrimytrim]=rltrim(heli H[VxVyVz])

(2)

2.1.2 舰船运动模型舰船基准运动模型为：

[A B C D]=rllinmod(xtrim utrim ytrim)

(3)

式中： Yi、ωt、φi分别为各叠加运动的幅值、频率和初始相位。

(4)

2.1 模型建立

线性化操作在配平状态基础上按小扰动原理获取增量方程：

 

(5)

式中：us为舰船船舷方向的航行速度，vs为垂直于船舷方向的航行速度，ψS0为船舷航向角。此外采用正弦波叠加的方式近似模拟舰船六自由度扰动运动[5]：

 

(6)

线性化的状态方程为：

上午，爸爸、妈妈在市里办事，中午就在附近的一家小餐馆用餐，爸爸随手把带的一个文件袋放在了凳子上。吃过午饭，我们乘公交车离开了，走了六七站，爸爸突然发现文件袋丢在小餐馆里了。这个文件袋里装着好几份合同，还有几张银行卡，妈妈急得不知所措，爸爸也自责地拍打着脑袋，不停地念叨：“这十有八九丢掉了，这可怎么办呢？”公交车到站停下来，爸爸飞速跳下去，拦了一辆出租车就跑了。过了半个小时左右，妈妈的手机响了，是爸爸打来的电话，爸爸在电话那头兴奋地说：“餐馆老板真好，把我们的文件袋收得好好的……”听了爸爸的话，妈妈长舒了一口气。

  

图2 舰机仿真通信协议示意图

  

图3 舰机仿真通信协议示意图

2.1.1 无人直升机模型无人机的运动模型是对象特性分析和着舰控制策略制定的的基础，本文用于控制律设计与分析的模型是采用Rotorlib直升机建模软件得出的，其所建立的全包线的非线性动力学模型如下：

2.2 舰机通信与信息交换舰机通信是指等效飞行控制与舰载地面站之间的电台通信，通信协议如图2所示。其中上行数据是用户发出的指令例如：舰面起飞、脱离、爬高、舰面跟随、着舰回收等，相关指令在500 ms之内未收到来自等效飞控的回报，自动重新发送最多3次。否则认为舰机通信失败。下行数据较为庞大，基本涵盖了大部分UMH和舰船的运动信息[6]。为了避免占用过多系统资源，采取“快速”、“中速”、“慢速”三种频率下发数据。例如数据更新率较低的经纬度、高度等信息采取“慢”帧发送，发送频率1 Hz。而更新率较快的内环姿态等信息采取快帧发送，频率为20 Hz。

 

表1 等效控制仿真任务调度表

  

任务名称优先级频率/Hz堆栈大小/B模型数据交互1202048控制律解算2201024水平模态管理3202048垂直模态管理4201024数据融合510512导航解算610512操纵杆接收710512舰机通信8101024

  

图4 直升机和舰船三维视景模型

2.4 着舰视景与数据驱动着舰视景软件接收来自等效飞控的舵面信息，完成动态模型解算和三维视景展示。本文采用的是X-plane 9专业飞行仿真软件，其使用叶素法将无人直升机分割成有限的元素，通过对这些元素分别进行受力分析，结合飞机的重心和质量等数据，计算飞机的加速度，进而可以得出速度和位置等信息[8]。模型解算的速度可以通过Operations&Warnings菜单下的Flight-model选项进行设置，考虑到本文的研究对象是轻小型无人直升机，所以设置为每图形帧3次模型解算[9]。UMH的和舰船的三维视景模型如图4所示。将两台运行X-Plane的计算机和等效飞控计算机连接到局域网中，其中一台负责传输无人直升机的运动信息，另一台中将飞机永久固定于舰艇的飞行甲板的降落点上，间接获得舰艇的六自由度运动信息。二者需处于同一机场附近，双方通过 Net connects菜单下的IP of Multi-player选项实现地景共享。同时将二者的Data Receiver选项均设置为转发中继所在的IP地址以实现数据传输。网络连接的所有的发送端口号设置为49000,接收端口号设置为49005。建立网络连接之后，X-Plane可以经过转发中继向等效飞控软件周期性发送飞机与舰船的状态信息，同时接收来自等效飞控软件解算出的桨距、油门等信息，上下行通信协议如图5所示，其中包同步帧头为5个字节，内容为“DATA0”。数据组标签号可以从DataIput&Output菜单下查询到[10]，例如俯仰角、滚转角和航向角的标签号为18，数据段占用36个字节，由该组数据按顺序依次排列，表2列出了X-Plane中桨距和发动机的相关信息。

笔者提出了一种新型综掘巷道新型超前支护设备，具有高度和宽度可伸缩调整、适应不同巷道截面尺寸等功能，并利用特殊结构处理的伸缩梁与顶梁，使得支架在展开时能够与顶板良好接触。同时论述了该装备的关键组成部分，即超前支架的结构及工作原理，并进行了应力分析，分析的结果为综掘巷道超前支护提供了技术支撑。

  

图5 X-Plane数据交互协议示意图

 

表2 等效控制仿真任务调度表

  

上行舵面标签号字节位置范围纵向周期变距115-8[-1．0，1．0]横向周期变距111-4[-1．0，1．0]总距391-4[1．5，14．5]桨距394-8[-1．0，1．0]油门251-4[0．0，10．0]

  

图6 飞行轨迹加载流程示意图

2.5 舰面控制软件舰面控制站是基于Qt图形界面框架设计开发的，主要完成对飞行状态和着舰过程的直观展示并接收操作人员的指令发送给等效飞控。主要包含以下模块：(1) 数字地图显示模块：该模块是基于百度地图API开发的，主要用于显示预设航路，当前飞机、舰船的航迹等信息。Qt与Javascript脚本之间的交互过程如图6所示。软件运行时，首先由QWebview加载JavaScript脚本文件，当需要从Qt调用JavaScript相关函数时，使用QWebview自带的函数即可实现。而反向的从JavaScript至Qt的回调，则先将需要回调的函数定义为公共槽函数类型，然后使用该对象名称和实例指针暴露给JavaScript脚本，从而实现相关函数的调用。(2) 实时飞行数据显示模块：实时飞行数据显示功能包含了三个部分：曲线模块、平显模块、数值显示模块。实时数据曲线模块通过开源绘图曲线类QCustomplot展现高度、速度、以及变距的变化趋势；平显模块采用矢量图叠加的方式模拟航空仪表盘，将飞行器的高度、垂向速度、地速、姿态角、航向角等数据直观地呈现出来；飞行状态和飞行数据帧显示模块均采用数据表格的形式，采用定时刷新的方式更新数据，更新频率为2 Hz。(3) 着舰控制指令模块：飞行控制指令模块用于给机载飞控发送控制指令。在遥控面板上包含三类指令信息，分别是：通用指令、功能指令和遥调指令，当用户按钮触发时，会触发指令发送消息，相应槽函数会进行数据的组帧和串口发送数据。(4) 参数配置及数据记录模块：参数配置模块是允许用户通过地面站配置UMH相关信息，如传感器安装位置，控制律参数等信息。也可以通过文件直接进行参数导入。数据记录模块则会记录地面站接收到的所用数据，以便数据回放模块重现控制过程。

3 系统综合测试

为验证仿真系统的相关设计目标，对系统进行了联合测试仿真。系统测试图片如图7所展示，由上至下依次为舰载地面站截图、视景截图和系统整体效果图，经过测试验证表明，仿真系统各项功能正常。达到了预期设计目标。

  

图7 系统运行实物图与界面

4 结 语

本文从需求出发，设计了仿真系统的整体框架，建立了着舰仿真系统所需的各项数学模型。完成各个局部子系统的模块划分与实际开发,在μC/OS-II实时操作系统桌面端移植的基础上，完成了等效飞行控制软件的设计开发，基本还原了机载飞控运行环境与核心功能。在X-Plane的基础上完成了着舰三维视景的展示和数据的交互，最后基于C++图形用户界面开发框架Qt，实现了舰载地面控制站软件的开发，并设计了相关通信机制，完成了各个设备之间的实时数据交换和实时仿真测试。实现了着舰控制系统导航、制导和控制算法的快速实时仿真。达到了预期效果，具有一定的工程实用价值。

参考文献

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[2] 黄华, 徐幼平, 邓志武. 基于Flightgear模拟器的实时可视化飞行仿真系统[J]. 系统仿真学报, 2007, 19(19):4421-4423.

[3] 万顺飞. 小型无人直升机前飞段飞行控制技术研究[D].南京航空航天大学,2016.

[4] 童中翔, 王晓东. 飞行仿真技术的发展与展望[J]. 飞行力学, 2002, 20(3):5-8.

[5] 郭署山. 无人直升机着舰控制技术研究[D].南京航空航天大学,2010.

[6] 熊鹏飞. 基于HLA架构的无人机飞行仿真系统[D].电子科技大学,2012.

[7] 李华伟, 王家星, 李红光,等. 基于Creator/Vega Prime的无人机着舰仿真验证系统设计[J]. 中国电子科学研究院学报, 2012, 7(4):374-379.

[8] Clarke S, Papathakis K, Samuel A, et al. NASA SCEPTOR electric concept aircraft power system: X-plane electric propulsion system design and qualification for crewed flight testing[C]// Transportation Electrification Conference and Expo. IEEE, 2016:1-27.

[9] Bittar A, Vitzilaios N I, Rutherford M J, et al. An integrated framework for cooperative ground and aerial vehicle missions utilizing Matlab and X-Plane[C]// Systems Conference (SysCon), 2015 9th Annual IEEE International, 2015: 495-500.

[10] Young Jun Seo,Chan Oh Min,Dae Woo Lee. The Development and Flight Test of Auto-landing System Using X-Plane Simulator[C]// Proceedings of 2011 2nd International Conference on Innovative Computing and Communication and 2011 Asia-Pacific Conference on Information Technology and Ocean Engineering(CICC-ITOE 2011 V2).2011:4.