1 小型無人直升機(jī)實時仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
1．1 無人直升機(jī)實時仿真系統(tǒng)構(gòu)建
    在此以Raptor90無人直升機(jī)為實驗平臺，如圖1所示。

    要構(gòu)建一套切實可行的小型無人直升機(jī)仿真系統(tǒng)，需要對小型無人直升機(jī)實際飛行過程進(jìn)行全面的建模。而其中對小型無人直升機(jī)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型建模又是重中之重。這里主要利用MIT以及Aalborg大學(xué)研究人員提出的兩套無人直升機(jī)的建模方法，結(jié)合各自的優(yōu)點，充分考慮無人直升機(jī)在不同模態(tài)切換之間的模型差異，對無人直升機(jī)進(jìn)行數(shù)學(xué)建模，并轉(zhuǎn)換成可以實施的仿真系統(tǒng)模型。仿真系統(tǒng)主要包括直升機(jī)數(shù)學(xué)模型模塊、飛行控制系統(tǒng)模塊、數(shù)據(jù)融合模塊、控制輸入模塊，人機(jī)圖形界面模塊以及數(shù)據(jù)通信模塊等。其中直升機(jī)數(shù)學(xué)模型模塊主要包括：直升機(jī)非線性模型、直升機(jī)線性化模型、陣風(fēng)擾動模型、地形模型、傳感器模型以及伺服驅(qū)動器模型。直升機(jī)非線性模型主要包括主旋翼、伺服小翼、尾旋翼、空氣動力學(xué)模型以及6自由度剛體動力學(xué)模型。直升機(jī)線性化模塊主要是在直升機(jī)非線性模型的基礎(chǔ)上根據(jù)控制需要進(jìn)行適當(dāng)?shù)暮喕?，以便用來對線性控制器的性能進(jìn)行檢驗。陣風(fēng)擾動模型主要用來對小型無人直升機(jī)在實際飛行環(huán)境中的陣風(fēng)進(jìn)行模擬。地形模型主要考慮直升機(jī)在起飛和降落過程中與地面之間的相互作用。這當(dāng)中涉及到地面與槳葉間的渦流效應(yīng)，對其建模非常復(fù)雜，故這里暫時不考慮。傳感器模型主要包括GPS定位模型、IMu測量模型和聲納測距模型。伺服驅(qū)動模型主要模擬將伺服板接收到的輸入信號轉(zhuǎn)換為伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)動并最終轉(zhuǎn)換成機(jī)械動作后直接作用于旋翼的過程。飛行控制系統(tǒng)模塊指利用設(shè)計的控制算法對直升機(jī)進(jìn)行自主飛行控制。數(shù)據(jù)融合模塊主要指利用卡爾曼濾波算法對各個傳感器測量到的數(shù)據(jù)進(jìn)行融合計算?？刂戚斎肽K主要用于直升機(jī)自主飛行時對其飛行狀態(tài)進(jìn)行調(diào)校。人機(jī)圖形界面能生動實時地再現(xiàn)直升機(jī)的仿真效果。經(jīng)過以上分析，可以得到小型無人直升機(jī)仿真系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

1．2 圖形界面軟件工具簡介
    這里的無人機(jī)仿真系統(tǒng)是以Linux操作系統(tǒng)為開發(fā)平臺，以FLTK(Fast Light Tool Kit)圖形用戶界面工具箱實現(xiàn)人機(jī)界面顯示，并用Mesa／C)penGL實現(xiàn)飛行過程的實時三維動態(tài)仿真。
    FLTK是一個用++編寫的圖形界面開發(fā)工具。FLTK在具有基本的GUI功能之外，還擁有一些特殊的功能，比如跨平臺、內(nèi)置OpenGL功能、尺寸更小等。FLTK使用Fl—Gl—Window這個類將OpenGL的基本功能囊括其中，開發(fā)時只要在Fl—Gl—window的draw()里glbegin／glend即可。無人直升機(jī)仿真系統(tǒng)的人機(jī)界面需要顯示直升機(jī)3D實時飛行狀態(tài)，這就需要用到OpenGL這個標(biāo)準(zhǔn)的三維計算機(jī)圖形接口。OpenGL由SGI公司開發(fā)，可以在不同的平臺如windows 95，windows NT，Unix，Linux，Mac()s，()s／2等之間進(jìn)行移植。然而C)penGL不是自由軟件，它的版權(quán)、商標(biāo)(OpenGL這個名字)都?xì)wSGI公司所有。在Linux下用Mesa來取代OpenGL。Mesa提供與OpenGL幾乎完全一致的接口，并且Mesa是遵循GPL協(xié)議的自由軟件，使得它對新硬件的支持度等方面甚至超過OpenGL。[!--empirenews.page--]

2 仿真系統(tǒng)程序模塊編寫
    仿真系統(tǒng)程序模塊主要包括模塊直升機(jī)數(shù)學(xué)模型-模塊、控制輸入模塊、數(shù)據(jù)融合模、通信模塊、飛行控制系統(tǒng)模塊以及人機(jī)圖形界面模塊。下面主要對直升機(jī)數(shù)學(xué)模型模塊、控制輸入模塊、通信模塊以及人機(jī)圖形界面模塊進(jìn)行代碼編寫。
2．1 直升機(jī)數(shù)學(xué)模型模塊
    首先用類封裝各個子模型的主要屬性，主要包括主旋翼子模型、伺服小翼子模型、尾旋翼子模型，陣風(fēng)擾動子模型以及伺服驅(qū)動子模型等；然后再把這些子模型封裝在一個直升機(jī)的類Heli中，看成直升機(jī)類的類成員變量；再為直升機(jī)類增加適當(dāng)?shù)某蓡T函數(shù)，來完成各子模型的實際功能，這樣就構(gòu)成了直升機(jī)整體。之后可以利用此類進(jìn)行實例的定義及使用。

   
    接下來便可以根據(jù)上面的Heli類來代入Rator90直升機(jī)的實際參數(shù)。
2．2 控制輸入模塊
    在此選擇Logitech EXTREME 3D PRO JOYSTIC作為飛行控制輸入遙桿。首先，需要將遙桿的驅(qū)動程序掛載進(jìn)內(nèi)核。在／etc／rc．10cal文件中添加如下語句：

    modprobe／lib／modules／2．6．1 1／kernel／drivers／input／joydev．o
    即可在每次啟動內(nèi)核時自動加載搖桿驅(qū)動模塊并檢查與其他模塊的屬性相依。
    控制器成功掛載進(jìn)內(nèi)核之后，利用幾個主要數(shù)據(jù)讀取函數(shù)對遙桿的輸人數(shù)據(jù)進(jìn)行讀?。?/p>

   
    然后便可通過socket通信模塊，把數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到仿真平臺主程序上，再由主程序處理分配到各個終端。
2．3 通信模塊
    該仿真系統(tǒng)主要采用Socket(套接字)網(wǎng)絡(luò)接口編程技術(shù)來實現(xiàn)各個模塊之間的數(shù)據(jù)交換，即進(jìn)程間的通信。Socket主要有2種，使用TCP(傳輸控制協(xié)議)協(xié)議的流式Socket通信和使用UDP(用戶數(shù)據(jù)報)協(xié)議的數(shù)據(jù)報Socket通信。TCP協(xié)議提供面向連接的、提供端到端檢查與糾錯全雙工字節(jié)流傳輸。UDP協(xié)議是非連接的，可提供高速的傳輸服務(wù)，但不提供可靠的傳輸服務(wù)。該仿真程序使用UDP數(shù)據(jù)報協(xié)議，因是在本機(jī)內(nèi)部進(jìn)行通信，并且一個端口可以同時接收來自幾個端口的信息，無疑提高了效率。對通信雙方進(jìn)行類封裝，建立基于UDP網(wǎng)絡(luò)通信的Server和Client類。主要實現(xiàn)代碼如下：

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2．4 人機(jī)圖形界面模塊
    圖形界面是最能體現(xiàn)仿真效果的部分。這里采用Linux系統(tǒng)下的FLTK和OpenGL／Mesa圖形函數(shù)庫進(jìn)行圖形界面程序開發(fā)，主要代碼如下：

3 仿真系統(tǒng)運行結(jié)果分析
    對仿真系統(tǒng)所有模塊的源文件建立Makefile文件，以便今后程序的修改與調(diào)試。用Linux下的gcc編譯器編譯鏈接，生成各個模塊的可執(zhí)行文件。整個仿真系統(tǒng)運行如下。
    圖3為直升機(jī)運行功能面板?？梢月?lián)合手柄的按鍵，設(shè)置各個不同的功能鍵。

    圖4為直升機(jī)3D運行界面以及狀態(tài)面板。當(dāng)執(zhí)行懸停控制程序時，仿真程序會根據(jù)使預(yù)先設(shè)定好的參數(shù)，先進(jìn)行垂直起飛，再飛向目標(biāo)位置，然后在目標(biāo)位置上進(jìn)行定點懸停。同時可以從直升機(jī)狀態(tài)面板上，很直觀地看到直升機(jī)飛行姿態(tài)的變化。

4 結(jié) 語
    詳細(xì)介紹了小型無人直升機(jī)仿真系統(tǒng)的構(gòu)建。整個仿真系統(tǒng)是在Linux上搭建的。仿真系統(tǒng)運行結(jié)果很好地再現(xiàn)了直升機(jī)3D飛行過程，垂直起降以及定點懸停等。整個仿真系統(tǒng)大大縮短了研究周期，減少了資金的投入，并為接下來飛行控制系統(tǒng)的設(shè)計與驗證提供了良好的基礎(chǔ)。