半物理仿真实验室
半物理仿真实验室
一、简介
半物理仿真试验采用计算机软件、数学模型、系统部件(或设备)与环境物理效应设备相结合的综合仿真形式,是先进无人机装备在研制试样、性能评估、作战演练中必不可少的仿真方法和手段。半物理仿真试验可实现人和硬件在回路的仿真,可在不进行动态飞行试验的条件下对无人机进行全系统综合测试验证,且模拟的逼真度和可信性相对很高,一定程度上代表着系统建模与仿真的最高水平。
青岛航空技术研究院无人机研究所长期致力于飞行器半物理仿真平台的研发建设,目前已经建成高精度三轴仿真转台、无人机地面综合试验台、模拟训练考核系统等多个大型地面试验装备,可开展无人机飞控/惯导系统转台试验、伺服系统加载试验、起落架系统试验、供配电系统试验、无人机操纵模拟训练试验等多项试验项目,为先进无人机系统综合评估测试提供可靠的解决方案。
1.高精度三轴仿真转台
三轴仿真转台是一种高精度数字化仿真设备,能准确模拟出各类飞行器在实际飞行时的姿态变化,再现其运动过程的各种动力学特性,在航空、航天领域科学研制和试验过程中起着关键的作用。高精度三轴仿真转台主要用于组合导航系统在实验室环境下的测试、标定以及飞行控制律测试。
转台由转台台体、转台控制柜、隔离变压器柜、控制电缆等组成。台体采用立式UOO结构,由三个转动框架组成,如图1所示。其中内轴框架上可安装被测产品,用于模拟飞行器在空中飞行时的姿态运动。转台台体内部安装驱动电机、角位置传感器和自锁开关等,可实现对转台机械框架的驱动运动及测量。
图1 高精度三轴仿真转台
高精度三轴仿真转台能够产生三个方向的角位置、角速率和角加速度等运动激励,来实现对陀螺、惯性测量装置等设备的测试和标定,也可以实现空间三个旋转方向的运动模拟、角振动、摇摆等各类动态运动,模拟无人机在飞行过程中的姿态变化,实现惯性设备与飞行控制系统的仿真信息闭环,设备参数如表1所示。
表1 高精度三轴仿真转台性能参数表
性能指标 |
内框 |
中框 |
外框 |
转角范围 |
三轴均可连续旋转 |
||
角位置精度 |
±0.001° |
||
角位置重复性精度 |
±0.0005° |
||
角位置分辨率 |
±0.0001° |
||
速率范围 |
0.001°/s~400°/s |
0.001°/s~300°/s |
0.001°/s~200°/s |
速度分辨率 |
0.0001°/s |
0.0001°/s |
0.0001°/s |
最大角加速度 |
±2500°/s |
±2000°/s |
±1500°/s |
双十带宽 |
10Hz |
8Hz |
8Hz |
回转精度 |
±0.002° |
±0.002° |
±0.001° |
三轴相交度 |
R0.5mm球内 |
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轴系垂直度 |
±0.002° |
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负载尺寸及安装空间 |
不小于400mm×400mm×400mm |
||
负载重量 |
不小于45Kg |
2.无人机地面综合实验台
无人机地面综合试验台是现代大型无人机开展全系统设计和地面验证的大型综合性试验设施。试验台以模块化的架构、通用性的硬件组成,支持无人机的飞控系统、起落架系统、航电系统、电源系统等机载系统的单独试验验证以及全机系统之间两两或多系统间的联合试验验证。
无人机地面综合试验台将传统铁鸟试验台、航电系统试验台、机载电源系统试验台进行了综合,并将无人机传感器激励设备、舵机加载等半物理仿真系统也纳入试验台,成为可支持无人机系统从部件到系统地面验证的综合性试验台。试验台可进行无人机半实物仿真、飞控起落架系统的铁鸟试验、航电系统试验、机载电源系统试验以及全机系统的交联地面验证。并支持型号首飞试验,故障复现及排故,设计改进优化等,能促进无人机研发流程顺利实施。
图2 无人机地面综合实验台
该无人机地面综合实验台采用模块化架构及通用软硬件设备,可支持多型全电无人机模拟真实装机环境下的飞控系统、航电系统和起落架系等的单独试验或多系统间的联合试验,可开展的试验分为以下三类:
1)单系统测试试验:对安装在台架上的被试系统(飞控系统、航电系统和起落架系统等)进行功能测试和性能测试,也可以对各系统所包含的子系统、设备部件等进行试验验证。
2)多系统交联工作试验:对安装在台架上的多个被试系统进行联合试验,验证系统之间接口的正确性以及交联后的性能是否能满足设计要求。
3)系统故障模拟试验:对试飞前无人机可能发生的故障类型进行模拟,完善系统应急方案;对试飞后出现的故障进行复现,解决系统设计中存在的问题。
主要性能指标参数如表2所示。
表2 无人机地面综合试验台功能参数
设备名称 |
主要功能 |
主要技术参数 |
飞控系统试验器 |
飞控系统信号断连测试; 信号仿真、切换、故障注入; 飞控系统独立以及综合试验; |
RS422/485、CAN、1553B等接口; 模拟量输出仿真通道≥128路; 离散量输出仿真通道≥64路; |
航电试验台 |
航电系统的功能和性能指标; 内部子系统间接口关系的验证; 交联系统间的接口及数据测试。 |
模拟量接口≥64路; TTL电平接口≥96路; 异步串行通讯接口≥32路; |
舵负载模拟器 |
用于模拟飞行器在飞行过程中作用在舵面上的气动载荷,进而实现对舵机系统性能的测试。 |
加载系统控制通道:6个; 静态输出力精度:≯±0.5%Fmax; 最大加载力不小于20000N。 |
起落架试验台 |
对起落架系统所有信号进行断连、信号采集、故障注入测试等,模拟起落架、舱门收放过程受到的气动载荷。 |
静态输出力精度<±0.5%; 跟踪精度≯±3%Fs; 信号断连及切换通道数量≮35CH。 |
电源试验台 |
无人机电源系统的交联、功能/性能检查、故障模拟,对电源系统工作状态参数的监测和性能指标的评估。 |
测试通道:≮48,负载模拟通道:≮40; 电压/电流测试精度不低于0.5%; 可进行短路、断路故障模拟。 |
3.模拟训练考核系统
模拟训练考核系统主要用于无人机系统的仿真模拟,以及无人机操控人员的模拟训练考核,在保障无人机正常飞行和实际应用中发挥着重要的作用。通过模拟训练考核系统可以使各级指挥员、参谋作业人员、飞行控制人员等相关人员熟悉并灵活运用信息系统和武器装备,完成在多种复杂地形环境和多种战术背景下的空地一体联合训练,演练无人机部队的典型战法,以支撑部队多兵种协同、多样化任务、多装备保障的作战需求。
在无人机在执行任务前,可以利用指控模拟训练系统对任务规划的结果进行仿真推演与验证。另一方面,无人机操作是一个比较复杂的过程,对操作人员有很高的要求,因此需要对操作人员进行大量的无人机飞行操作训练。利用真实的无人机进行训练风险大,成本高,所以采用模拟训练器对无人机操作员进行训练,从而避免了由于操作不当而造成无人机的不必要损失,降低飞行训练成本,并且达到了训练目的,从而保障了无人机的正常飞行。
图3 模拟训练考核系统
无人机模拟训练考核系统包括2套飞行监控分系统、1套载荷监控分系统、1套链路监控分系统、1套数据链设备、1套飞控/载荷/链路仿真分系统、1套训练评估分系统和1套视景显示分系统,主要功能指标如表3所示。
表3 模拟训练考核系统主要功能指标
分系统名称 |
主要功能 |
飞行监控分系统 |
1) 具备接收航线文件,完成航线装订的功能,具备航迹显示功能; 2) 具备通过软件界面、周边键控制器、飞行操纵杆、油门台和控制面板操作生成飞行控制指令,完成飞行控制和任务控制的功能; 3) 具备系统内接收和配置无人机类型、地址、地面站类型的功能; 4) 具备飞行状态声光综合警示的功能和特情处置提示的功能。 |
载荷监控分系统 |
1) 具备可见光和红外载荷设备仿真的能力,完成载荷的闭环控制; 2) 具备光电侦察数据处理功能,能够对侦察数据进行解压、显示; 3) 能够接收可见光、红外视频、数码照相的侦察数据并进行图像显示、实时翻转、放大、缩小,并对感兴趣区域进行实施目标定位; 4) 能够将载荷设备、无人机和目标定位信标示在视频界面上。 |
链路监控分系统 |
1) 具备链路仿真功能,可仿真无人机系统机载和地面链路设备; 2) 具备接收、优选不同链路下传的机载链路遥测数据的功能; 3) 具备显示视距地面数据终端、卫通地面数据终端、视距机载数据终端、卫通机载数据终端、链路接入工作状态和参数的功能; 4) 具备显示测控链路覆盖范围和地面定向天线跟踪视频的功能。 |
训练评估分系统 |
1) 具备对训练名称、起止时间、参训设备、参训岗位、参训人员等训练基本信息的管理功能; 2) 可生成满足训练需求的要素,并根据模板自动生成训练文书; 3) 具备在线学习和考核理论知识、定性评估和定量评估的功能; 4) 具备对评估要素、评估方法、指标体系综合管理的功能。 |
视景显示分系统 |
1) 支持多种视频输入和高清视频输出和显示、具备拼接控制功能; 2) 能够识别处理各种标准和常用非标准的视频信号、可以支持多组多类型的视频信号输入,能够支持多组信号同时在大屏上显示; 3) 大屏任意分割显示,以一个屏为单元可进行多路画面分割显示; 4) 能够通过网络将远端计算机的操作界面投射到大屏中。 |