无人机舵机HIL仿真方法研究

    王志远，闫建国，孙倩

    (西北工业大学．陕西西安710072)

    摘要：为简化编程及优化控制律，介绍了一种无人机舵机的HlL实时仿真方法。详细设计了系统硬件，构建了基于Simulink的舵机控制系统HlL仿真模型，可实时在线调整模型参数及监视仿真数据，实现了舵机的位置随动控制。实验结果表明，系统具有较好的实时性，能够较全面验证舵机控制软件的可靠性，加快了舵机及无人机的研制。

    关键词：无人机舵机；HlL仿真；位置随动控制

O引  言

    舵机作为无人机制导系统的主要组成部分，是操纵机动飞行的重要执行机构。为确保软件的可靠性，需建立相应的仿真系统对其进行验证。

    一般的开发过程虽然能在纯数字仿真阶段使用Matlab等仿真软件开发仿真模型，但还需要人工把纯数字仿真使用的模型翻译成可被实时仿真机执行的代码而不能直接利用数字模型。如何利用已开发好的仿真模型，并直接把这些模型放到仿真机中运行呢?Matlah的ETTc2000能够实现这一功能。使用基于Matlab／ETTTIc2000的HIL实时仿真方法将大大减少仿真软件的开发量，避免各种手工编写代码出现的错误，缩短舵机控制软件的开发周期。

    本文设计了一种无人机舵机的HIL(Hardwarein the 1oop)实时仿真系统，利用Matlab 7. l提供的ETTIc2000进行可视化模块编程，在舵机控制系统开发过程中验证新的控制率，提高产品开发速度。1 HlI。实时仿真方法

    HlL仿真是目前国外控制系统设计的常用仿真方法，将计算机仿真(纯软件)和实时控制(硬件在回路)有机结合起来，将实际驱动电路电机一传感器替代其实时模型，与实际控制器构成闭环测试系统，可将仿真结果直接用于实时控制，极大提高控制系统的设计效率。

    H1L实时仿真方法就是应用Matlab／simulink模块框图建立起仿真系统模型，以图形化的方式对算法进行概念化，在搭建起半实物仿真硬件平台后使用ETrIc2000自动代码生成功能，生成可在DsP内运行的仿真模型的实时c代码，实时在线调整仿真参数，并根据仿真数据修改模型，如此反复直到满足设计要求为止。HIL实时仿真方法实现了一种新的快速的从全数字仿真到半实物仿真的一体化过程。其仿真流程图如图1所示。

ETTIc2000(Emhedded TI 2000)DsP工具箱专门针对TI公司2000系列DsP，以ccsLInk为基础将DsP内部集成的外设模块以Simulink模块的形式给出，通过Madab中Real-Time workshop生成ccs IDE中特定DsP的c代码并完成编译、链接同时下装到目标板中运行。在整个过程中设计者只要专注于在Matkb的图形化设计环境中建模、仿真，针对DsP的代码将自动生成，无需设计者编写源代码。

2舵机HIL仿真的设计与实现

搭建系统硬件、构建HILs模型后，就实现了无人机舵机HIL半实物实时仿真系统。基于这个系统可方便地多次进行算法调整，在线实时修改仿真模型或调整控制律参数，反复修改，直到获得满意、符合舵机技术指标。

2 1系统结构

无人机舵机HIL仿真系统结构如图2所示，其为位置环闭环控制系统。主要由上位机(Pc机)、主控制电路、位置反馈采样电路、电机功率驱动电路、直流电动机等组成。以TI公司TMS320F2812为主控芯片及其外围电路构成的主控制电路，完成各种模拟、数字信号的采集和提供电机驱动信号，并与上位机进行通信。DsP代码由Simu1ink模型自动产生从而完成软件实现。

    功率驱动采用H桥集成芯片BD6221，内部集成了故障检测、过流过压保护等多种功能，极大简化了硬件电路，可靠性与稳定性都有大幅提高。系统选用微型有刷直流电动机作为原始动力部件，接收功率驱动发送的单路PwM信号，带动舵面的偏转。

系统选用精密导电塑料线性电位计作为位置采样装置，与舵面摇臂同轴相连。电位计旋转其阻值将线性变化，输出电压值则反映了舵面实际的偏转角。

主控制电路中DsP接收位置反馈信号，经处理后上传上位机，在simmulink模型中解算控制律，产生电机PwM控制信号，再将自动生成的模型代码下装到DsP并运行，通过驱动电路向电机发送控制指令从而控制电机运行。

2 2位置环控制率设计

位置环直接决定舵机伺服控制系统的动、静态性能指标，系统位置环调节采用增量式PID控制算法，能保证系统有较快的响应速度，同时具有较好的静态性能和小超调量。