無人駕駛飛行器在民用和軍用的許多領域中，是一個很有前景的低成本選擇。相比傳統的飛行器，無人飛行器可以提供更低的運行成本和顯著的人員安全優勢（特別是枯燥、骯臟和危險的任務）。近幾年來，我們開展了若干個民用的固定機翼或旋翼式UAV平臺的研究項目。

    為了開發出這種類型的平臺，我們需要新的航空電子系統，能夠使直升機保持在穩定的高度并按照需要的軌跡飛行。該航空電子設備系統包含傳感器、計算機和數據通信硬件，以及對飛行器進行導航和控制的軟件。RUAV航空電子系統的開發，需要涉及到微電子、數據通信、電子集成、安裝和編程、濾波器設計、信號調理及振動隔離等廣泛領域。傳統的RUAV項目使用機載電子設備，需要雇傭大量的專業技術人員進行系統的裝配和測試，這增加開發的時間成本。

    在我們開發的RUAV航空電子系統組件中，使用CompactRIO作為飛行計算機，因為它有著可靠且可重新配置的構架，可以快速而便捷地集成不同的I/O硬件和傳感器。

    與直升機平臺建造及航空電子系統開發同時進行的是，在LabVIEW環境中開發模塊化半實物測試平臺，用于安全無風險的飛行前測試。CompactRIO和HIL仿真器可以快速而便捷的進行編程。它們還可以加速軟硬件的開發和整合。

硬件和系統構架

RUAV系統的開發通常使用下面的方法：

硬件選型和系統建立

設計傳感器采集軟件和控制系統

開發半實物測試臺，對機載硬軟件進行無風險的地面測試

最終的自主飛行實驗測試

    我們的RUAV平臺由Hirobo60業余直升機組成，我們對直升機進行了改裝來裝載航空電子硬件。為了提高直升機的載重能力，我們還安裝了更為強大的引擎、更長的玻璃纖維槳葉、更長的尾桁和尾槳。

    同時，我們使用CompactRIO硬件作為飛行計算機，用于采集傳感器信息，并且根據CompactRIO上的控制算法生成PWM執行器信號。此系統利用數字輸入模塊NI 9411管理RS232協議，從Crossbow NAV420 AHRS (航姿系統) 接收飛行數據信息；分別利用數字輸入模塊NI 9411和數字輸出模塊NI 9474，接收和發送PWM執行器信號；利用數字輸入模塊NI 9411和數字輸出模塊NI 9474管理I2C協議，采集聲納傳感器的高度信息；從現場可編程門陣列（FPGA）接收傳感器信息并記錄所有的飛行數據，同時管理與地面控制臺的無線以太網通信。

我們開發的HIL測試臺在測試環中包含了盡可能多的飛行器硬件：

運行機載軟件的飛行計算機等效硬件。我們使用了NI PXI-7831R與計算機的通信。利用FPGA接口卡模擬CompactRIO實時計算機。

模擬直升機單元和機載傳感器輸出的計算機。

包含了真正的GCS源代碼，并使用TCP/IP協議與模擬計算機進行通信的地面控制臺(GCS)計算機。

還可以選擇性地添加OpenGL視覺系統計算機，用于重現直升機飛行時的虛擬景色。視覺系統可以通過TCP/IP協議從GCS計算機接收輸入。

HIL仿真器軟件

LabVIEW代碼管理整個RUAV系統和HIL仿真器。這兩段軟件有著典型的CompactRIO應用設計構架。

    在實際的RUAV系統中，FPGA代碼使用四個不同的傳感器讀寫循環和1個比例-積分-微分（PID）控制循環用于直升機的控制。PID循環是50Hz的閉環。寫循環將PWM命令發送到直升機的主旋翼、尾旋翼和伺服執行器，完成預定義的飛行動作。第一個讀取循環使用RS232協議，從Crossbow NAV 420處獲得直升機的高度、角速度、速度和GPS位置，我們使用FPGA數字輸入管理RS232協議，確保確定性數據采集。第二個讀取循環管理PWM命令數據采集。另一個讀寫循環用于采集聲納傳感器數據并管理I2C協議。

    我們使用CompactRIO實時軟件進行FPGA數據采集、機載飛行數據記錄及與地面控制站的無線以太網通信。為了管理地面控制臺的通信，我們使用了LabVIEW Real-Time Communication Wizard。同時，在Windows OS中使用LabVIEW開發了地面控制臺軟件。

    遠程圖形化用戶界面包含兩個窗口：虛擬駕駛艙和用于實時顯示飛行數據信息的遙感勘測窗口。我們使用ActiveX控件開發了虛擬駕駛艙，就像Global Majic軟件公司的飛行器儀器那樣。我們還可以使用額外的信息，如GPS和慣性測量單元的狀態和系統警告等。

    HIL仿真器中的等效代碼包含了運行在NI PXI-7831R上的FPGA代碼，它與實際RUAV系統運行的FPGA代碼是相同的。在模擬計算機上運行的代碼包含三個主要部分：仿真循環，它包含了使用LabVIEW Control Design and Simulation Module開發的直升機仿真模型；串口寫循環，用于根據直升機仿真循環的狀態信息，模擬Crossbow NAV 420的RS232輸出；運行LabVIEW實時軟件的CompactRIO系統，它與實際運行在GCS計算機的軟件是相同的。

    直升機仿真器和實時代碼運行在相同的機器上，這是因為所有的源代碼都使用了獨立的循環。這種設定的結果就是機載計算機“認為”正在控制飛行器，所有的配置數據流與自動飛行的設定都是相同的。在這種情況下，經過大量的地面安全仿真，我們在進行飛行測試前就可以了解機載軟件的性能和可能的缺陷。

成功開發硬件在環仿真器

    我們進行了HIL仿真和試飛，來測試使用選定的硬件和開發的軟件用于直升機控制的可行性。仿真和試飛結果的比較表明，使用開發的HIL模擬器作為RUAV系統的地面安全測試臺是十分可行的。

    在將來，我們將對仿真平臺做進一步的改進。我們將在HIL仿真器上實現更為復雜的動力學模型，包含更精確的飛行傳感器模型。與RUAV平臺一起，這些仿真環境提供了有效的測試平臺，用于安全地面飛行前測試或研究不同的控制和導航策略。

關于NI

       美國國家儀器有限公司（National Instruments，簡稱NI）致力于為測試測量、自動化和嵌入式應用領域的工程師和科學家們帶來革命性的理念，從“虛擬儀器技術”提升到“圖形化系統設計”，幫助他們實現更高效和優化的設計、原型到發布。NI為遍布全球各地的25000家不同的客戶提供現成即用的軟件（如NI LabVIEW圖形化開發平臺），和高性價比的模塊化硬件。NI總部設在美國德克薩斯州的奧斯汀，在近40個國家和地區設有分支機構，共擁有5,000多名員工。在過去連續9年里，NI被《財富》雜志評選為“全美最適合工作的100家公司之一”。想了解更多關于NI的信息，請訪問ni.com/china，或致電800-820-3622。