"我們使用LabVIEW和NI公司的PXI硬件，與兩個開發(fā)團隊一起實現(xiàn)了兩個飛行器的完全動態(tài)控制飛行控制。"

– Christopher McMurrough, Automation and Robotics Research Institute at The University of Texas at Arlington

挑戰(zhàn):
      使用實時運動捕獲技術，為自動微型飛行器的快速飛行控制系統(tǒng)開發(fā)，創(chuàng)建一個模擬測試臺。

解決方案:
      使用NI公司的LabVIEW實時模塊，開發(fā)一個可以在多核PXI機上運行的應用程序，該程序用來處理輸入的運動捕獲數(shù)據(jù)，執(zhí)行飛行器反饋控制器，向飛行器無線電發(fā)射機發(fā)送執(zhí)行命令。

全自動四旋翼飛行

      盡管微型飛行器開發(fā)中的許多技術難題已經(jīng)解決，但仍然還有許多挑戰(zhàn)尚未得到解決。因為許多設想的微型飛行器的大小尺寸和機動性要求，需要一個非常規(guī)的方法來推進，如撲翼，特別是飛行控制的設計仍然是一個懸而未決的問題。

      為了促進未來微型飛行器平臺的飛行控制開發(fā)和測試，我們使用LabVIEW開發(fā)系統(tǒng)和NI PXI硬件，為美國空軍創(chuàng)建了實時微型飛行器飛行控制系統(tǒng)測試臺。該解決方案由第三方運動捕獲系統(tǒng)，實時命令，運行在PXI機上的控制應用程序，一個運行LabVIEW軟件的開發(fā)PC，和飛行器發(fā)射機接口組成。

起飛螺距直升機

實時運動捕獲

      運動捕獲系統(tǒng)由位于整個測試環(huán)境下均勻分布的36個高速攝相機組成。我們將每個攝相機通過專用高速網(wǎng)絡接口連接到四個配位儀組件中的其中一個上。每個配位儀通過標準網(wǎng)絡連接被連到中央視覺服務器。我們使用小粘著標志來配置中央服務器，以跟蹤預定實體的位置和方向。每個攝相機在其視覺窗口范圍內(nèi)測量反射標志的相對位置，將此信息轉(zhuǎn)發(fā)給中央服務器，然后中央服務器計算在0.1mm范圍內(nèi)所有已定義實體的位置和方向。

      運行在PXI硬件上的控制應用程序，通過標準網(wǎng)絡連接，接收運動捕獲系統(tǒng)的實時位置和方向數(shù)據(jù)。我們將該數(shù)據(jù)以TCP包的形式，以至少120Hz的頻率發(fā)送至PXI上，每個TCP數(shù)據(jù)包包括測試環(huán)境下所有被跟蹤對象的空間數(shù)據(jù)。

飛行控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

      考慮到飛行控制系統(tǒng)的重要實時特性，解析的輸入數(shù)據(jù)必須跟上運動捕獲發(fā)送速率，而且不能丟失數(shù)據(jù)包。在這個應用程序中，丟失包不僅使程序無用，而且如果服務器試圖重新發(fā)送丟失的數(shù)據(jù)，將有潛在的危險。由LabVIEW提供的網(wǎng)絡通信模塊能處理流數(shù)據(jù)，因為PXI控制應用程序總是能夠向每個輸入數(shù)據(jù)提供足夠剩余的時間。

飛行器發(fā)射機接口

      PXI控制應用程序除了處理輸入空間數(shù)據(jù)的解析和按每個時間為步長計算飛行控制算法，它還傳遞命令給飛行無線電發(fā)射機。在此應用程序中，我們使用標準愛好者無線電發(fā)射機發(fā)送執(zhí)行命令給飛行器。

      發(fā)射機配備了“訓練者端口”，允許外部脈沖位置調(diào)制信號(PPM)來控制執(zhí)行命令傳輸。我們使用第三方基于微處理器設備，以包的形式從RS232串口接收輸入，產(chǎn)生脈沖位置調(diào)制信號。PPM信號的每個脈沖具有一個特定的長度，其代表微秒值的數(shù)據(jù)包。每個值對應了脈沖被轉(zhuǎn)換前所允許保留在其特定邏輯層的時間。一旦值被轉(zhuǎn)換，下一個脈沖被激活。

      PXI控制應用程序以特定的速度將這些RS232數(shù)據(jù)包發(fā)送給發(fā)射機接口。如果數(shù)據(jù)包以偏離50Hz的頻率發(fā)送，它將會導致不可預知的行為；因此，一個確定性的過程是必須的，LabVIEW中定時循環(huán)結(jié)構(gòu)使得數(shù)據(jù)包以所需要的速率發(fā)送。

快速控制規(guī)則開發(fā)

      為了提供微型飛行器快速測試和控制規(guī)則開發(fā)的方法，我們使用了LabVIEW仿真接口工具包，其在MathWorks公司的Simulink^®開發(fā)系統(tǒng)和飛行控制系統(tǒng)測試臺間提供了一個重要鏈接。我們使用專門處理飛行控制器的定時循環(huán)結(jié)構(gòu)，創(chuàng)建了PXI應用程序。我們還為想要測試一個新的飛行控制器和飛行器的研究人員設計并提供了VIs包。我們建立了飛行控制系統(tǒng)，因此，用戶只需要將Simulink模型導入到VI包中，將控制器的輸入和輸出數(shù)據(jù)發(fā)送給VI包所提供的信號。另外，用戶還可以使用相同的VI包導入LabVIEW單獨設計的飛行器控制器。

利用多核技術的可靠性

      微型飛行器控制系統(tǒng)在程序執(zhí)行時，需要有高度的確定性。如果兩個或多個任務發(fā)生了資源競爭，該實時系統(tǒng)的分布特性會呈現(xiàn)可能的故障點。該程序由處理輸入空間數(shù)據(jù)、運行飛行控制器、將發(fā)射機輸出數(shù)據(jù)打成包和顯示圖像信息給用戶的專門循環(huán)組成。因為每次循環(huán)必須以指定的時間間隔運行，不能互相發(fā)生沖突，我們在多核PXI機上為LabVIEW定時循環(huán)結(jié)構(gòu)分配特定核和優(yōu)先權(quán)。我們還給每個進程一個特定的時間偏移，以防止被分配了相同資源的任何兩個進程互相沖突。

測試結(jié)果

      因為我們設計的系統(tǒng)是為了輔助未來微型飛行器平臺的開發(fā)，所以我們使用現(xiàn)有的無線電遙控空間飛行器實現(xiàn)了驗證。成功飛行的第一架飛行器是四旋翼式旋翼機。在項目開始的前一個月內(nèi)，我們飛行了旋翼機。我們還對飛行機動性參數(shù)進行了測試，如固定懸停，輔助移動物體，圖8飛行器和路徑跟蹤。

      為了證實系統(tǒng)的模塊性，我們使用第二架飛行器進行了飛行測試，它是標準的螺距直升機。我們很快設計和加載了第二架飛行控制器到VI包中。螺距直升機到達測試臺上的當天，就成功完成了測試，包括反饋控制器的“調(diào)整”，這證明了我們達到了系統(tǒng)模塊性能的要求。假設用戶帶著飛行器和功能反饋控制器到達測試臺，實際上，飛行測試從一開始到完成只需要不到一個小時的安裝時間。

我們方法的優(yōu)勢

      該項目的雄心目標是在兩個月內(nèi)開發(fā)一個穩(wěn)定盤旋四旋翼飛行器。我們使用LabVIEW 和 NI 公司的PXI硬件，與兩個開發(fā)團隊一起實現(xiàn)了兩架飛行器的全自動飛行控制。我們使用定時循環(huán)結(jié)構(gòu)，保證了程序執(zhí)行時間的確定性。此外，我們方法的靈活性在于允許與大多數(shù)硬件快速交互，大大降低了開發(fā)難度，這有助于我們控制設計團隊的新手滿足所有我們目標的要求。