基于RTX的无人机实时飞行仿真系统研究

发布时间：2017-09-20 16:16

  本文关键词：基于RTX的无人机实时飞行仿真系统研究

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【摘要】：飞行仿真系统是无人机飞行控制系统研制与地面验证的关键平台之一,对无人机飞行控制系统动态功能与性能指标的确认至关重要。随着计算机技术的高速发展,PC机的硬件性能已满足大部分仿真计算的硬件要求。因此,为了提高通用性并减少仿真软件的开发和使用难度,本文以PC机和基于Windows操作系统的RTX实时扩展系统为软硬件平台,设计开发了一种实时无人机飞行仿真系统。论文主要的工作和研究成果如下:无人机实时飞行仿真系统硬件采用了两台PC计算机,包括一台DELL笔记本计算机和一台DELL台式计算机;将飞行仿真软件按功能进行模块划分到不同计算机硬件平台上,达到模块化、通用化、便于维护的目的;两台计算机通过网络接口相互连接,实现信息交互。论文首先建立了样例无人机六自由度非线性数学模型。在对执行机构和传感器进行分析研究的基础上,建立了适用于仿真计算的典型数学模型。针对无人机飞行环境进行分析研究,建立了典型的大气扰动数学模型。根据无人机六自由度模型的仿真实时性与精度要求,对四种典型的仿真算法进行分析研究,确定了可选用的仿真算法和仿真功能。其次,对RTX实时操作系统进行研究,针对实时飞行仿真的特点与要求及进行了实时性测试,为实时仿真软件设计奠定基础。根据实时飞行仿真软件的功能与性能,开展仿真软件的需求分析研究,给出了软件设计与开发方案。以此为基础,对RTX下的实时仿真软件进行了详细设计,论述了软件的详细开发过程。根据无人机实时飞行仿真系统对计算机间信息交互的功能与性能需求,本文分别设计了基于网络通信接口和串行通信接口的实时通信软件并进行了通信测试。最后,为了验证基于RTX的无人机实时飞行仿真系统的功能和性能,采用样例无人机系统模型进行了半物理实时飞行仿真试验验证。实验结果表明:基于RTX的无人机实时飞行仿真系统具有良好的实时性和可靠性,其功能和性能满足飞行仿真试验要求。
【关键词】：无人机 飞行仿真 RTX 实时性 飞行控制
【学位授予单位】：南京航空航天大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：V279
【目录】：

• 摘要4-5
• ABSTRACT5-12
• 注释表12-14
• 缩略词14-15
• 第一章 绪论15-20
• 1.1 引言15
• 1.2 系统仿真技术15-16
• 1.3 无人机飞行仿真技术16-17
• 1.4 国内外研究现状及分析17-18
• 1.5 论文研究内容与组织结构18-20
• 1.5.1 论文研究内容18
• 1.5.2 论文组织结构18-20
• 第二章 基于RTX的无人机仿真系统设计20-33
• 2.1 引言20
• 2.2 RTX实时系统简介20-22
• 2.2.1 RTX系统架构21-22
• 2.3 RTX的软件开发环境22-24
• 2.4 RTX的仿真软件开发技术研究24-27
• 2.4.1 RTX的进程间数据实时交互技术24-25
• 2.4.2 RTX的高精度时钟定时技术25-26
• 2.4.3 进程间的同步与互斥26-27
• 2.5 RTX实时性能测试27-28
• 2.6 无人机实时仿真软件需求分析28-31
• 2.6.1 仿真系统功能需求28-30
• 2.6.2 仿真系统性能要求30-31
• 2.7 基于RTX的无人机仿真系统程序架构设计31-32
• 2.8 本章小结32-33
• 第三章 仿真对象建模33-55
• 3.1 引言33-34
• 3.2 无人机本体建模34-37
• 3.2.1 无人机本体建模35-37
• 3.2.2 动力系统建模37
• 3.3 执行机构建模37-38
• 3.4 传感器建模38-41
• 3.4.1 GPS39
• 3.4.2 IMU39-40
• 3.4.3 空速计与高度计40-41
• 3.5 飞行环境建模41-44
• 3.5.1 大气环境建模41-43
• 3.5.2 风场建模43-44
• 3.6 算法选择44-53
• 3.6.1 一般欧拉法44-45
• 3.6.2 欧拉法的改进45-46
• 3.6.3 龙格-库塔法46-49
• 3.6.4 阿达姆斯法49-51
• 3.6.5 仿真算法选择51-53
• 3.7 C语言环境下的建模实现53-54
• 3.8 本章小结54-55
• 第四章 无人机实时仿真软件设计55-62
• 4.1 引言55-56
• 4.2 基于RTX的无人机实时仿真程序56-59
• 4.2.1 实时仿真模块设计56-57
• 4.2.2 仿真控制管理模块设计57-59
• 4.3 基于RTX的无人机实时飞行仿真系统程序实现方案59-61
• 4.3.1 基于RTX的传感器仿真程序实现59
• 4.3.2 基于RTX的执行机构仿真程序实现59-61
• 4.4 本章小结61-62
• 第五章 无人机实时飞行仿真系统实时通信的实现62-74
• 5.1 引言62
• 5.2 无人机仿真系统实时通信需求分析62-63
• 5.3 实时以太网通信63-70
• 5.3.1 实时以太网的RT-TCP/IP协议65-67
• 5.3.2 实时以太网的UDP协议67-68
• 5.3.3 实时以太网通信测试68-70
• 5.4 串行通信接口通信70-73
• 5.4.1 RTX下Rt API对串行通信接口的主要操作70-71
• 5.4.2 串行通信接口通信模块设计71-72
• 5.4.3 串行通信接口通信测试72-73
• 5.5 本章小结73-74
• 第六章 样例无人机飞行仿真试验验证74-83
• 6.1 引言74
• 6.2 仿真系统验证方案74
• 6.3 仿真系统功能验证74-77
• 6.3.1 无人机本体模型仿真模块性能验证74-76
• 6.3.2 仿真系统通信模块性能验证76
• 6.3.3 仿真系统大气环境模块性能验证76-77
• 6.4 样例无人机仿真验证77-81
• 6.4.1 样例无人机控制律介绍77-79
• 6.4.2 系统仿真准备79-81
• 6.4.3 仿真结果及分析81
• 6.5 仿真结论81-82
• 6.6 本章小结82-83
• 第七章 总结与展望83-85
• 7.1 本文主要工作83-84
• 7.2 后续工作展望84-85
• 参考文献85-88
• 致谢88-89
• 在学期间的研究成果及学术论文89

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本文编号：889102