"我們使用LabVIEW和NI公司的PXI硬件，與兩個開發(fā)團(tuán)隊(duì)一起實(shí)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(shí)時運(yùn)動捕獲技術(shù)，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(shí)時模塊，開發(fā)一個可以在多核PXI機(jī)上運(yùn)行的應(yīng)用程序，該程序用來處理輸入的運(yùn)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(jī)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(shù)難題已經(jīng)解決，但仍然還有許多挑戰(zhàn)尚未得到解決。因?yàn)樵S多設(shè)想的微型飛行器的大小尺寸和機(jī)動性要求，需要一個非常規(guī)的方法來推進(jìn)，如撲翼，特別是飛行控制的設(shè)計(jì)仍然是一個懸而未決的問題。

      為了促進(jìn)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(shí)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(yùn)動捕獲系統(tǒng)，實(shí)時命令，運(yùn)行在PXI機(jī)上的控制應(yīng)用程序，一個運(yùn)行LabVIEW軟件的開發(fā)PC，和飛行器發(fā)射機(jī)接口組成。

起飛螺距直升機(jī)

實(shí)時運(yùn)動捕獲

      運(yùn)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(jī)組成。我們將每個攝相機(jī)通過專用高速網(wǎng)絡(luò)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(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)連接被連到中央視覺服務(wù)器。我們使用小粘著標(biāo)志來配置中央服務(wù)器，以跟蹤預(yù)定實(shí)體的位置和方向。每個攝相機(jī)在其視覺窗口范圍內(nèi)測量反射標(biāo)志的相對位置，將此信息轉(zhuǎn)發(fā)給中央服務(wù)器，然后中央服務(wù)器計(jì)算在0.1mm范圍內(nèi)所有已定義實(shí)體的位置和方向。

      運(yùn)行在PXI硬件上的控制應(yīng)用程序，通過標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)連接，接收運(yùn)動捕獲系統(tǒng)的實(shí)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(shí)時特性，解析的輸入數(shù)據(jù)必須跟上運(yùn)動捕獲發(fā)送速率，而且不能丟失數(shù)據(jù)包。在這個應(yīng)用程序中，丟失包不僅使程序無用，而且如果服務(wù)器試圖重新發(fā)送丟失的數(shù)據(jù)，將有潛在的危險(xiǎn)。由LabVIEW提供的網(wǎng)絡(luò)通信模塊能處理流數(shù)據(jù)，因?yàn)镻XI控制應(yīng)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(jī)接口

      PXI控制應(yīng)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(jì)算飛行控制算法，它還傳遞命令給飛行無線電發(fā)射機(jī)。在此應(yīng)用程序中，我們使用標(biāo)準(zhǔn)愛好者無線電發(fā)射機(jī)發(fā)送執(zhí)行命令給飛行器。

      發(fā)射機(jī)配備了“訓(xùn)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(shè)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(yīng)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(yīng)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(jī)接口。如果數(shù)據(jù)包以偏離50Hz的頻率發(fā)送，它將會導(dǎo)致不可預(yù)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(yīng)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(shè)計(jì)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(dǎo)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(dǎo)入LabVIEW單獨(dú)設(shè)計(jì)的飛行器控制器。

利用多核技術(shù)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(wù)發(fā)生了資源競爭，該實(shí)時系統(tǒng)的分布特性會呈現(xiàn)可能的故障點(diǎn)。該程序由處理輸入空間數(shù)據(jù)、運(yùn)行飛行控制器、將發(fā)射機(jī)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?yàn)槊看窝h(huán)必須以指定的時間間隔運(yùn)行，不能互相發(fā)生沖突，我們在多核PXI機(jī)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(jìn)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(jìn)程互相沖突。

測試結(jié)果

      因?yàn)槲覀冊O(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)了驗(yàn)證。成功飛行的第一架飛行器是四旋翼式旋翼機(jī)。在項(xiàng)目開始的前一個月內(nèi)，我們飛行了旋翼機(jī)。我們還對飛行機(jī)動性參數(shù)進(jìn)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(shí)系統(tǒng)的模塊性，我們使用第二架飛行器進(jìn)行了飛行測試，它是標(biāo)準(zhǔn)的螺距直升機(jī)。我們很快設(shè)計(jì)和加載了第二架飛行控制器到VI包中。螺距直升機(jī)到達(dá)測試臺上的當(dāng)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(dá)到了系統(tǒng)模塊性能的要求。假設(shè)用戶帶著飛行器和功能反饋控制器到達(dá)測試臺，實(shí)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(xiàng)目的雄心目標(biāo)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(tuán)隊(duì)一起實(shí)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(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)的新手滿足所有我們目標(biāo)的要求。