Scientific Journal of Control Engineering June 2013, Volume 3 Issue 3, PP.177-183
Research on the Hardware-in-the-loop Simulation of Multi-UAV Formation Flight Control System Benhui Liu#, Sentang Wu, Da Cai School of Automation Science and Electrical Engineering, Beihang University, Beijing 100191, China #
Email: liubenhui2008@yahoo.com.cn
Abstract This paper describes the design methods of HILS (Hardware-In-the-Loop Simulation) platform, whose purpose is to test the performance of designed multi-UAV formation flight control system. The platform consists of four subsystems: real time simulation subsystem based on RTX technique, wireless communication subsystem based on TDMA technique, man-machine interaction subsystem based on MFC and flight position simulation subsystem based on flight motion, virtual flight motion and autopilot. The modeling method of multi-UAV formation and design method of controller are introduced firstly, then the composition and key technologies of every subsystem are presented, finally simulation about the formulation controller is carried out on this platform. The experimental result shows that this platform can effectively test the performance of formation controller and also can examine the function of radio station, autopilot and communication protocols, which provides important technical support for the further flight experiment. Keywords: UAV; Formation Controller; Hardware-In-the-Loop Simulation; Real Time Simulation; Wireless Communication Protocols
无人机编队飞行控制半实物仿真技术研究* 刘本慧，吴森堂，蔡达 北京航空航天大学 自动化与电气工程学院，北京 100191 摘
要：为了验证所设计的无人机编队控制系统的性能，设计并搭建了一种无人机编队控制半实物仿真平台。该平台主
要由基于 RTX 技术的实时仿真子系统，基于时分多址技术的无线通讯子系统，基于 MFC 的人机交互子系统，基于转台、 虚拟转台和自驾仪的姿态模拟子系统这四个子系统组成。依次介绍了无人机编队建模及控制器设计，各个子系统组成及 关键技术，以及利用该平台测试所设计的编队控制器的试验过程。仿真结果表明，该平台不仅能有效地验证所设计的编 队控制器的性能，还能实现对电台、自驾仪和通信协议等关键机载设备和关键技术的功能检测，为今后进一步的试飞实 验提供了重要的技术支持。 关键词：无人机；编队控制器；半实物仿真；实时仿真；无线通信协议
引言 无人机编队控制技术是近年来的一个研究热点，相对单无人机，无人机编队在作战范围、杀伤半径、 摧毁能力、攻击精度以及战场生存力等方面都有很大的提高。目前，国内外研究人员在编队飞行控制方面 提出了多种方法[1]，但是主要用数字仿真验证其有效性，与实际工程应用还有较大的差距。半实物仿真是仿 真技术中置信水平最高的一种仿真方法，广泛应用于在航空航天、武器研究等领域，同时相对飞行实验， *
基金资助：受国防基础科研项目基金资助（07114840） 。 - 177 http://www.sj-ce.org/
半实物仿真具有耗资较小，研究周期较短的特点。近年来，国内外研究人员在编队半实物仿真研究方面取 得了一定进展[2][3][4]，但也存在一些不足。其中比较突出的有两个问题：一是模型简单没有考虑气动参数变 化的影响，二是缺少对无人机关键设备和关键技术如电台、自驾仪、通讯协议的测试。针对上述问题，本 文旨在提出一个引入多硬件，贴近工程应用的编队半实物仿真平台方案，以便于测试编队控制器的实际性 能，为进一步试飞实验提供技术支持。
1
系统总体构成及工作原理
1.1 总体构成 本半实物仿真平台采用三机编队的方式，由“地面站—长机—双僚机”四个节点构成（见图 1）。从系 统组成方面看,由以下四个子系统构成：基于 RTX 技术的实时仿真子系统，基于时分多址技术的无线通讯子 系统，基于 MFC 的人机交互子系统，基于转台、自驾仪和虚拟转台的姿态模拟子系统。
1.2 工作原理 长机的无线电台接收地面站发出的信号后开始飞行仿真，上位机实时解算无人机模型得到飞行参数， 上位机将滚转、俯仰和偏航三个姿态角运动传递给下位机，下位机控制转台的转动，转台上装有自动驾驶 仪，自动驾驶仪中的传感器检测长机的姿态角和姿态角速率信号，反馈给上位机。然后长机根据队形需要 将僚机的期望位置长机状态信息通过无线电台发给僚机，僚机将期望位置和长机状态信息作为输入通过编 队控制器保持相应的队形，在整个飞行过程中地面站收到由长机僚机发来的位置信息，监控无人机编队的 飞行轨迹。
(a) 系统原理示意图
(b) 仿真平台实物图
图 1 半实物仿真平台整体结构图
编队飞行建模及编队控制器设计 X
VL
ΨL
长机L 僚机期望 dl c
ΨF VF
2
df
df
c
僚机F dl
Y O
图 2 双机编队平面几何模型
采用“长机—僚机”的双机模型[5]，参考系取地面坐标系，可以将编队问题分解为横向跟踪和纵向跟踪 - 178 http://www.sj-ce.org/
两个方向进行处理，见图 2。 在定高飞行速度倾斜角度为 0 的情况下，以长机机体坐标系为准，设僚机相对长机的期望距离为 d fc ，
dlc ， d hc 。可得僚机对长机距离的误差表示： d x d f d fc cos L d sin y dl dlc L
sin L xL xF d fc cos L yL yF d lc
d z zL zF d hc
(1) (2)
进一步得到微分方程：
VLzVFx VLxVFz d f L d x VL VLxVFx VLzVFz dl L d y VL VL d V V Ly Fy z
(3)
其中：图中 d fc , dlc , d hc ，分别表示为期望编队结构时，长机和期望僚机间纵向和横侧向的相对距离和
高度差， d f , dl , d h ，分别为长机和实际僚机间纵向和横侧向的相对距离和高度差， L , F 分别为长机和僚 机的偏航角， VF , VL 分别为长机和僚机的飞行速度。 当僚机未达到期望位置时，可以通过对长机的航向速度、航向角和高度跟踪来调整僚机位置，达到保 持编队队形的目的，采用基于 PID 的编队控制器：
V k e k t e dt k e xp x xi 0 x xd x FC t FC k yp ey k yi 0 ey dt k yd ey t hF k zp ez k yi ez dt k zd ez 0 C
(4)
其中，
ex k x d x kv (VF VL ) ey k y d y k e ez d z
(5)
设计得到的编队控制器应满足抗干扰能力强鲁棒性较好的要求，可以通过一些智能优化算法如“随机 鲁棒性分析与设计方法”[6]对控制律进行优化，所得到的控制律将通过编队半实物仿真验证其有效性。
各子系统组成及关键技术
3
3.1 基于 RTX 的实时仿真子系统 3.1.1
硬件介绍
实时仿真子系统是无人机编队飞行控制系统半实物仿真平台的核心，承担无人机编队的飞行仿真的任 务。仿真计算机采用研华 IPC-610 工业控制计算机（见图 3(a)），支持最多 15 个附加卡，同时提供双 12cm /85CFM 滚珠轴承风扇保证计算机的正常运转。 3.1.2
RTX 实时仿真软件
无人机编队控制系统半实物仿真是硬件在环的仿真，由于有了硬件实物，仿真系统必定要以实时的方 式进行仿真。为了保证半实物仿真的实时性要求，采用基于“Windows+RTX”的系统运行平台[7]。RTX 以 Windows 为基础，在原有系统上扩展了一个实时子系统 RTSS，同时修改和扩展了 Windows 系统的硬件抽象 - 179 http://www.sj-ce.org/
层(HAL)，实现对 Windows 系统的修改，使其达到实时性要求，具体 RTX 体系结构如图 3(b)。 RTSS 环境 能够提供精度 l us 的时钟、定时器等实时服务，我们利用准确的定时器中断进行无人机的飞行仿真，每间隔 10ms 进行一步飞行仿真，使半实物仿真具有高可信度，具有很好的天地一致性。
(a) 研华工业控制计算机
(b) RTX 体系结构图
图 3 实时仿真子系统软硬件示意图
3.2 基于时分多址技术的无线网络通讯子系统 3.2.1
硬件介绍
无线通信子系统按照通信协议，承担着各个结点之间的通信任务，保证编队按照要求飞行。为了保证 无人机编队的正常飞行，同时考虑到实际飞行环境，要求无线通信子系统有传输距离长，接收灵敏度高和 系统复杂度低的特点。综合以上考虑，选择 Digi 公司的 XTend-PKG 无线射频电台作为本系统的无线通信子 系统。该无线电台在室内的传输距离可达 900 米，发射频率为 900Mhz，有极高的灵敏度。该电台使用方法 简单，电台通过 RS-232 与仿真计算机连接。 3.2.2
基于时分多址技术的通讯协议
在无人机编队半实物仿真平台中，地面站结点、长机结点和僚机结点将数据包通过广播的形式发送出 去，是一种一点对多点的通讯方式。图 4(a)是编队平台通讯协议示意图，利用时分多址技术[8][9]，将传输信 息时间分成若干时隙，每一个时隙为 200ms，每四个时隙是一个通信周期。在每个时隙里单个节点向其他节 点发送响应的控制信息。在整个通讯的过程中，各个节点根据发送的数据帧（见图 4(b)）的标志位来判断是 哪个一个节点发出的信息，并做出正确的响应。
(a) 编队平台通讯协议示意图
(b) 数据帧结构
图 4 无线通信子系统原理图
3.3 基于 MFC 人机交互子系统 人机交互子系统人机交互程序利用 Visual C++6.0 编写，采用基于 MFC 的对话框模式，如图 5(a)所示 为地面站界面。人机交互子系统与无线通信子系统通过 RS-232 串口通信，接收其他节点发来的信息，同时 通过共享内存与实时仿真子系统通信（见图 5(b)），控制仿真启停，并实时显示长机和僚机的位置，仿真数 - 180 http://www.sj-ce.org/
据包记录了无人机编队飞行仿真过程中地面站接收到的所有原始数据。
无线通信子系统 RS-232
人机交互子系统 共享内存
实时仿真子系统 (a) 地面站界面
(b) 人机交互子系统通信方式
图 5 人机交互子系统原理图
3.4 基于转台、自驾仪和虚拟转台姿态模拟子系统 姿态模拟子系统是无人机编队飞行控制系统半实物仿真平台的执行机构，由控制柜、三轴飞行仿真转 台、自驾仪和虚拟转台组成。长机姿态模拟子系统由转台电控柜和三轴飞行仿真转台和自驾仪组成，控制 柜接收仿真计算机发送的指令控制转台运动，转台的内框、中框和外框实时模拟无人机的滚转、俯仰和偏 航运动，同时安装在转台上的自驾仪（见图 6(a)）测出转台的滚转角、俯仰角和偏航角。僚机平台的姿态模 拟子系统由基于 OpenGL 虚拟三轴飞行仿真转台组成[10]。如图 6(b)所示，三轴虚拟仿真转台系统由五个子 系统构成，主要包括机械子系统、虚拟转台调度子系统、虚拟转台图形单元、虚拟仿真子系统和虚拟转台 执行子系统。其中机械子系统主要实现几何模型的创建、图纸信息的管理、结构静态特性的分析和动态结 构优化；调度子系统实现了各单元任务的合理分配和使用，使三轴虚拟转台系统有机协调地结合起来；图 形子单元主要包括数据引擎、零件的虚拟装配和图形的交互操作等；虚拟仿真单元包括控制率选择和虚拟 仿真结果可视化；执行子系统是通过虚拟样机技术，获得较满意的仿真结果后，再将仿真结果应用于转台 系统，驱动三框运行，同时保证运行精度和转台系统的性能。
(a) 北航 IFLY 自驾仪
(b) 虚拟转台
图 6 姿态模拟系统软硬件示意图
4
编队半实物仿真结果及分析 将上述设计的子系统，搭建连接成完整的半实物仿真平台，利用某型无人飞行器为模型，以实际的风
洞数据为基础，建立相应的六自由度非线性模型，采用设计 PID 控制器进行三机编队仿真，每 10ms 仿真一 次，无线电台根据设计的通信协议收发信息，转台带动自驾仪模拟姿态运动并回馈姿态信息，地面站每 - 181 http://www.sj-ce.org/
800ms 接收并存储一次数据，调用 matlab 画图，结果如图 7 所示：
(a) 三机编队轨迹图
（b）僚机 1 和僚机 2 相对长机高度差
(c) 僚机 1 和僚机 2 相对长机东向位置差
(e) 三机偏航角
(d) 三机俯仰角
(f) 三机滚转角
图 7 半实物仿真结果图
实验中，长机沿着给定的航路点飞行，如图 7(a)，初始时长机沿东北方向高空平飞，继而转弯向北飞行， 到达指定点后，长机从 15000m 高空快速下滑至 100m 进行低空突防。在整个飞行过程，僚机 1 和僚机 2 根 据长机通过无线电台发送的飞行状态和期望位置等信息，进行跟踪和队形保持，整支编队呈品字型队形， 验证了无线电台和通信协议的有效性。 按预先的设计，长机同僚机 1、僚机 2 的期望高度差、东向距离和北向距离分别为(0,3000,3000)m 和 (0,3000,-3000)m，初始时刻僚机 1 在长机上方 50m，僚机 2 在长机下方 50m。以高度差和东向距离为例， 从图 7(b)可以看出僚机收到长机的高度指令后，迅速地向缩小高度差的方向飞行，在 200s 到 300s 时段长机 因为快速下滑高度急剧下降，相应的高度指令也不断变化，僚机与长机的高度差变大，但是在 300s 后的拉 平段，僚机与长机高度差不断减小接近 0m。这不仅验证了编队控制器在纵向控制的有效性，也说明了飞行 编队队形在平飞的状态下的稳定性比快速机动状态下的稳定性高。 - 182 http://www.sj-ce.org/
同时从图 7©可以看出，在 0s，100s，200s 时刻左右，长机与两僚机距离发生微小的变化，这是因为 0s 时刻长机给了僚机向东北方向飞行的阶跃指令，在 100s 时刻给了僚机大转角向北飞行的指令以及在 200s 给 了快速下滑的指令。除了这三个快速的机动指令造成的微小波动外，僚机和长机的东向距离基本保持在 3000m 的指定距离，说明了编队控制器在横侧向控制的有效性。 图 7(d)到图 7(f)表示的是长机和僚机的俯仰角，偏航角，和滚转角。从图中可以看出，整个过程，僚机 都在跟随着领机运动，整个内回路控制稳定，保持飞行姿态的平稳，不仅验证了飞行控制律的有效性也了 说明自驾仪的可用性。从图 7(e)和图 7(f)的对比中还可以发现该飞行模型采用的转弯方式为侧滑转弯。
5
结论 本文为改进无人机编队控制技术的仿真手段，提出无人机编队控制半实物仿真平台方案并完成了其四
个子系统的设计，最后利用该平台对无人机编队控制技术进行了仿真验证。实验结果表明，该平台不仅能 有效地验证所设计的编队控制器的性能，还能完成对电台、自驾仪和通信协议等关键机载设备和关键技术 的功能检测，具有很重要的工程意义。
REFERENCES [1]
Xing Liu, Sentang Wu, Xiaomin Mu, et al. “Autonomous Formation and Cooperative Guidance of Multi-UAV: Concept, Design and Simulation”[J]. Journal of System Simulation, 2008, 20(19): 5075-5080
[2]
PRUETT S H,SLUTZ G J. “Hardware-In-The-Loop Simulation using Open Control Platform”[C]. AIAA Modeling & Simultion Technologies Confererce, Austin, 2003, 1-11
[3]
Qiongjian Fan, Zhong Yang, Maoyan Feng, et al. “Formation Flight Hardware-in-the-loop Testbed System for Multi-UAV”[J]. Chinese Journal of Science Instrument. 2009, 30(3): 502-508
[4]
Ertin Onur B, Korkmaz Halim, et al. “Hardware-in-the-loop Test Platform for A Small Fixed Wing Unmanned Aerial Vehicle Embedded Controller”[C]. The 32nd IASTED International Conference on Modelling, Identification and Control, Austria, 2013: 282-285
[5]
Brad Seanor, Giampiero Campa, Yu Gu, et al. “Formation Flight Test Results for UAV Research Aircraft Models [A].AIAA 1st Intelligent Systems Technical Conference”[C]. Chicago Illinois, 2004, 20-22
[6]
Qi Qiu, Sentang Wu. “Robust Formation Flight Control System Design For Multi-UAVs”[C]. The 31st Chinese Control Conference, 2012, 4617-4621
[7]
CHEREPOV M, JONES C. “Hard Real-time with RTX on Windows NT”[C].The 3rd Windows NT Symposium Conference.USA:USENIX Association, 1999: 103-112
[8]
Chen Peng, Xing Liu, Xiaomin Mu, et al. “Cooperative DynamicWeapon-Target Assignment Algorithm of Multiple Missiles Based on Networks”[C].2009 Chinese Control and Decision Conference, 2009: 126-130
[9]
Zhang Yuhui, Zhang Youguang, and Tang Jiqiang, “A New SlotAllocation Model in STDMA Data Link Systems”[J]. Communication Technology,2009, vol. 42, no.06, 59-61
[10] Zhenghua Liu, Lianjie Er, Jinkun Liu. “Three-axis Virtual Flight Motion Simulator”[J]. Journal of System Simulation, 2003, 15(11): 1613-1617
【作者简介】 刘本慧，2011 年于北京航空航天大学获
吴森堂，1992 年在苏联基辅航空工程学
得学士学位，现为北京航空航天大学研
院获动力学、弹道学与飞行器运动控制
究生，主要研究方向导航、制导与控制。
专业、工程系统控制专业苏联工学博士
Email: liubenhui2008@yahoo.com.cn
学位。现北京航空航天大学教授，主要 研究方向非线性随机系统理论与应用， 飞行协同控制与精确制 导等。
- 183 http://www.sj-ce.org/