一种无人机或航模遥控器与Simulink飞行仿真系统的接口方式

一种无人机或航模遥控器与simulink飞行仿真系统的接口方式
技术领域
1.本发明涉及一种飞行仿真技术领域，具体而言，涉及使用simulink数字仿真软件 进行飞行仿真，需要使用无线遥控器作为仿真系统操控装置的应用中。


背景技术：

2.在无人机(及其他的遥控飞行器)研发过程中，飞行仿真是非常关键的环节。通 过运行飞行仿真系统，可在在不进行实际飞行的情况下，使用计算机进行数值计算的 方法模拟无人机在飞行中的运动和各类状态，从而分析、测试无人机的飞行性能。
3.一般而言，如图1所示，飞行仿真系统由操控指令输入装置(即操控装置)，运 行飞行仿真软件的仿真计算机以及分析结果存储装置构成。
4.常用的操控装置有飞行摇杆、无线遥控器等。它们的作用是在仿真软件运行过程 中对无人机的飞行状态进行操控。为了使飞行仿真过程真实模拟实际的飞行，这个操 控装置力求同无人机实际飞行中使用的操控装置相同。
5.目前，使用最多的飞行仿真软件为simulink数字仿真软件系统。它是一个基于 matlab的框图设计环境，实现动态系统建模、仿真和分析的一个工程软件，被广泛应 用于线性系统、非线性系统、数字控制及数字信号处理的建模和仿真。simulink具有 丰富的预定义模块库，在飞行仿真中用途最大的模块库为aerospace blockset。用户 也可按照自己的需求，添加相关的程序模块。
6.在飞行仿真的系统中，与仿真计算机连接最方便的操控装置为飞行摇杆，如图2 所示。飞行摇杆可以直接通过一个usb端口连接的计算机上。摇杆连上后，pc计算机 的windows系统能够直接识别出这个usb端口连接的是一个“joystick”模块。这样 在飞行仿真软件simulink中，就可以通过这个模块读取这个飞行摇杆的各种操控输入 值。
7.对于无人机飞行系统来说，它最常用，也是最适用的操控装置为无人机或航模无 线遥控器。这个无线遥控器由遥控手持机和遥控器接收机两部分组成，在无人机飞行 过程中，无人机操控人员通过手持机操控无人机的飞行。在飞行仿真系统中，现有无 人机或航模无线遥控器的问题是，它的接收机输出的信号格式为sbus，而这种信号的 信号电平和格式与电脑的usb端口不兼容，不能直接和飞控计算机连接。
8.sbus信号全称serialbus，最初由遥控器厂家双叶(futaba)制定，现普遍为遥 控器厂商采纳。它是一个通信串行通信协议，形式上类似于rs232串口协议，但采用 ttl电平进行信号传输。sbus信号与现在计算机中通用的串行口uart通信协议两个最 大的不兼容之处为：
9.(1)电平逻辑相反，sbus为负逻辑，低电平为“1”，高电平为“0”，uart为 正逻辑，低电平为“0”，高电平为“1”；
10.(2)通信波特率不同，波特率是指每秒内传送二进制数据的位数，以bps(位/ 秒)为单位。sbus波特率固定为100000bps，而uart波特率范围为：110，300，600， 1200，2400，
4800，9600，19200bps。
11.为了在飞行仿真系统中，使用无人机或航模无线遥控器，通常的解决方法为在遥 控器接收机和计算机usb接口之间接入一个摇杆模拟器，如图3所示。
12.这个摇杆模拟器是一个电路模块，它将接收到的sbus信号模拟成飞行摇杆控制信 号，然后通过一个usb端口与仿真计算机相连接。从而实现了通过无人机或航模遥控 器对飞机仿真系统中的仿真目标进行操控的目的。
13.这样的连接方式的问题在于，摇杆模拟模块将无人机或航模无线遥控器的s操控 信号模拟成摇杆操控信号，而这两种信号的格式有相当大的区别，由此无人机或航模 无线遥控器的功能得不到充分发挥，因而对仿真系统中的仿真目标的操控受到相当的 限制。具体表现为：
14.(1)sbus信号含有16个11位(即2048级)精度的通道控制信号，和2个按钮 开关通道信息。而在仿真计算机的windows系统识别的“joystick”模块中，摇杆操 控信号的通道数量最多为6个。如果在飞控程序中需要用到多于6个通道的操控信号， 则仿真无法进行；
15.(2)缺失关键信息。sbus信号除了含有各路通道的数值以外，还包含了与飞行 安全相关的关键信息，即接收机是否能接收到有效的遥控器信号、以及是否进入失控 保护模式。这些信息对于飞控程序中的飞行管理部分至关重要。在这些信息缺失的情 况下，飞行仿真系统难以有效地进行；
16.(3)通道顺序无法更改。在摇杆模拟器中，只能将sbus的通道按通道顺序模拟 为摇杆通道输出，这限制了可采集的sbus通道范围。以“joystick”模块中摇杆通道 数为6个为例，在这种情况下，只有sbus信号的前1-6通道信号得以转换，而7-12通 道信号无法采集；
17.(4)通道的精度不一致。sbus的通道精度为2048级整形数，而“joystick”模 块的通道精度为double级的浮点数。浮点数的优点是可表示的数的范围大，但是一个 不准确的近似数。两者信号转换后，通道精度受到损失。
18.因此，一种可以将sbus串行信号转换为uart串行信号、且可以识别解析sbus串 行信号的无人机或航模遥控器与simulink飞行仿真系统的接口成为本领域技术人员 追求的目标。


技术实现要素：

19.本发明的目的在于解决现有的simulink飞行仿真系统能识别的串行口uart与 sbus串行信号不兼容、由此带来的simulink飞行仿真系统中无法精准地接收和解析 sbus串行信号、导致控制信号丢失或失真的问题。
20.为实现上述发明目的，本发明的技术方案为：一种无人机或航模的遥控器与 simulink飞行仿真系统的接口，其特征在于：其包括：
21.一个sbus信号电平格式转换电路，连接于无人机遥控器的遥控器接收机的sbus 输出接口和计算机的usb端口之间，用于将所述遥控器接收机输出的sbus信号转换为 uart串行信号，并输送给计算机的simulink飞行仿真系统；以及
22.一个嵌入在simulink飞行仿真系统中的sbus信号处理模块，用于对经由sbus信 号电平格式转换电路转换、输送的sbus串行信号进行解析。
23.作为优选方案，其中，所述sbus信号电平格式转换电路包括：
24.一个电平反转电路，用于将无人机遥控器的遥控器接收机输出的sbus信号进行电 平逻辑翻转；
25.一个解码芯片，用于接收波特率为100000bps的sbus协议，通过解析，输出3v-ttl 电平的uart异步通讯协议标准的串行信号；
26.一个usb-uart转换模块，用于将计算机的usb端口转换成一个标准的uart串行 端口，使计算机的windows系统识别该usb端口连接的是一个串行通信uart模块，接 收并传输所述解码芯片发出的uart异步通讯协议标准的串行信号至所述simulink飞 行仿真系统的sbus信号处理模块。
27.作为优选方案，其中，所述电平反转为一个共射极三极管电平反转电路；
28.所述解码芯片为zr003u1芯片；
29.所述三极管的基极与无人机遥控器的遥控器接收机的sbus输出接口连接，发射极 接地，集电极接zr003 u1芯片的输入端(sin)；zr003u1芯片的输出端(uart out) 接usb-uart转换模块的接收端(rxd)；所述usb-uart转换模块的输出端与计算机的 usb接口连接，并将zr003u1芯片输出的uart串行信号输送给sbus信号处理模块；
30.所述usb-uart转换模块的电压输出端(5v out)与所述zr003u1芯片的供电电压 接口(vcc)、所述三极管的集电极连接，用于向zr003u1芯片和三极管提供电源。
31.作为优选方案，其中，所述sbus信号处理模块通过下面方法解析sbus串行信号：
32.首先建立一个70个字节左右的数据缓冲区，将接收到的sbus串行信号逐个字节 输送到缓冲区储存，当读取的字节等于0x0f，则判断是一个数据帧的开头，从此字节 开始，截取一段35字节长度的字符串，对截取的字符串进行异或校验，然后与第35 个的数值进行比较，如果结果相同，截取的字符串是一帧有效的sbus信号，然后逐个 字节解析sbus串行信号。
33.作为优选方案，其中，所述sbus信号处理模块解析sbus串行信号的具体步骤为：
34.s1，开始；
35.s2，读取缓冲区内的字符串；
36.s3，设定计数变量i＝1；
37.s4，判断第i个字符是否等于0x0f？如果是，进入下一步s7，如果否，进入s5；
38.s5，i设置为i 1；
39.s6，判断i是否超过最大值？如果否，返回步骤s4；如果是，进入步骤s11；
40.s7，计算由第i到i 33个字符组成的字符串的异或校验值；
41.s8，判断第i 34个字符与异或校验值相等否？若相等，进入下一步；若不等，进 入步骤s5；
42.s9，解算sbus信息，第i 1到i 32个字符代表了1-16通道的sbus指令，第i 33 字符串符合含有17-18通道指令、以及遥控器失联状态、失控保护状态信息；
43.s10，得到有效的sbus信息，输出结果；
44.s11，输出上一次运行此程序得到的sbus信息。
45.本发明所述的一种无人机或航模遥控器与simulink飞行仿真系统的接口，采用该 接口方式，可以在无人机飞行仿真系统中，使用和实际飞行同样的无线遥控器对仿真 对象
进行操控。无线遥控器输出的sbus信号中的所有原始操控信息，包括通道数据、 飞行安全相关信息等，都能为飞行仿真系统直接获取，其能够精准地传输遥控器输出 的所有信号，避免了将无线遥控器模拟成飞行摇杆带来的操控性能及精度的损失。
附图说明
46.图1为现有技术中无人机飞行仿真系统的结构图；
47.图2为现有技术中无人机飞行仿真系统与飞行摇杆控制器的连接示意图；
48.图3为现有技术中无人机飞行仿真系统与无人机或航模摇杆控制器通过摇杆模拟 其连接的示意图；
49.图4是本发明所述一种无人机或航模的遥控器与simulink飞行仿真系统的接口的 原理图；
50.图5为本发明所述一种无人机或航模的遥控器与simulink飞行仿真系统的接口连 接于计算机和无人机或航模摇杆控制器之间的示意图；
51.图6为本发明所述的sbus信号电平格式转换电路的电路图；
52.图7为本发明所述的sbus信号处理模块的解析sbus串行信号的方法流程图。
具体实施方式
53.以下结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的举例说明，但并不能使用该优 选实施例来限定本发明的保护范围。
54.参见图4、5，本发明旨在提供一种无人机或航模的遥控器与simulink飞行仿真 系统的接口，其包括：
55.一个sbus信号电平格式转换电路1，连接于无人机遥控器的遥控器接收机100的 sbus输出接口和计算机200的usb端口之间，用于将无人机或航模遥控器的遥控器接 收机的输出的sbus信号转换为uart串行信号，并输送给计算机的simulink飞行仿真 系统200；以及，一个设在simulink飞行仿真系统200中的sbus信号处理模块2，用 于对经由sbus信号电平格式转换电路1转换、输送的sbus串行信号进行解析。
56.本发明所述的sbus信号电平格式转换电路1，如图6所示，它的核心部分为一个 sbus格式转uart信号的解码芯片12，一个usb-uart转换模块23，以及信号电平反 转电路11。
57.参见图5、6，具体地，所述sbus信号电平格式转换电路1包括：
58.一个电平反转电路11，其与遥控器接收机sbus输出端口连接，用于将无人机或 航模遥控器的遥控器接收机的输出的sbus信号进行电平逻辑翻转；
59.一个解码芯片12，其信号输入端与电平反转电路11的输出端连接，用于接收波 特率为100000bps的sbus协议，通过解析，输出3v-ttl电平的uart异步通讯协议 标准的串行信号；
60.一个usb-uart转换模块13，其与计算机usb端口连接，用于将计算机的usb端 口转换成一个标准的uart串行端口，使计算机的windows系统识别该usb端口连接的 是一个串行通信uart模块；其输入端与解码芯片12的输出端连接，接收并传输所述 解码芯片发出的uart异步通讯协议标准的串行信号至所述simulink飞行仿真系统的 sbus信号处理模块。
61.在本实施例中，所述电平反转11为一个npn三极管共射极反转电路，其也可以采 用其他各种电平反转电路代替；所述解码芯片12采用为zr003u1芯片，zr003u1芯片 的功能为接收标准的波特率为100000bps的sbus协议，通过自带的解码功能对其解 析，输出3v-ttl电平，符合uart异步通讯协议标准的串行信号；所述三极管的基极 与无人机遥控器的遥控器接收机100的sbus输出接口连接，发射极接地，集电极接 zr003u1芯片的输入端sin；zr003u1芯片的输出端uart out接usb-uart转换模块13 串行数据的接收端rxd；所述usb-uart转换模块13的输出端与计算机的usb接口连 接，并将zr003u1芯片的输出的uart串行信号输送给sbus信号处理模块；所述 usb-uart转换模块13的电压输出端5v out与所述zr003u1芯片的供电电压接口vcc、 所述三极管的集电极连接，用于向zr003u1芯片和三极管提供电源。zr003u1芯片输 出的uart串行信号的波特率有两种可选,分别为38400，115200，由zr003u1芯片baud 0,baud 1引脚电平决定，本发明中，baud 0＝0，baud 1＝1,输出串行信号波特率 为34800。输出的串行uart信号的每个字节中包含：1个开始位和1个停止位。usb-uart 转换模块13的作用是将仿真计算机的usb端口转换成一个标准的uart串行口。如此， 本发明所述的sbus信号电平格式转换电路1连接到计算机的usb端口之后，计算机的 windows系统就能够识别出该usb端口连接的是一个串行通信uart模块。
62.sbus信号电平格式转换电路1中的zr003u1芯片以及信号电平反转电路11的三 极管所需的供电，由usb-uart转换模块13中的5v电源提供。
63.通过上述sbus信号电平格式转换电路1，无人机或航模无线遥控器与仿真计算机 实现了物理连接。计算机则将连接的usb端口识别为一个标准的uart串行接口。并且 将sbus信号转换为uart信号传输给了simulink飞行仿真系统200中的sbus信号处 理模块2。
64.参见图7，内嵌在飞行仿真程序simulink中的所述sbus信号处理模块2的功能 是读取遥控器接收机的sbus串口经sbus信号电平格式转换电路1传输来的信息并进 行解析，还原遥控器接收机发出的包含遥控器操控数据的sbus串口信息。表1显示了 从飞控计算机uart串行口输入的sbus帧信号格式：
65.表1
66.起始字节-1字节数据字节-32字节标志字节-1字节校验字节-1字节byte[0]byte[1]-byte[32]byte[33]byte[34]0xf0通道1-通道16操控值flags异或校验
[0067]
遥控器接收机发出的sbus信号每帧含有35个字节。其中首字节0x0f为帧头，后 面跟随16通道共32字节的操控值，每个通道的值为一个整形数占用两个字节，高字 节在前，低字节在后，其中有效位数为11位，整数值范围是0-2047。通道值后面为 一个标志字节flags和一个字节的异或校验为帧尾。
[0068]
其中标志字节flags的定义为：
[0069]
bit7＝通道17(一位按钮开关通道)
[0070]
bit6＝通道18(一位按钮开关通道)
[0071]
bit5＝遥控器失联状态(一位开关量)
[0072]
bit4＝失控保护状态(一位开关量)
[0073]
bit3＝n/a
[0074]
bit2＝n/a
[0075]
bit1＝n/a
[0076]
bit0＝n/a
[0077]
最后的校验字节为不包括帧头首字节，其余33个字节的异或校验值。
[0078]
sbus信号处理模块2通过下面方法解析sbus串行信号：首先建立一个70个字节 左右的数据缓冲区，该70个左右的字节排成一行，sbus信号电平格式转换电路1将 接收到的sbus串行信号按右进左出的原则逐个字节输送到缓冲区储存。在解读流程 中，程序逐字节读取缓冲区内数据。如果读取的字节等于0x0f，则其初步判断是一个 数据帧的开头；这时，从此字节开始，截取一段35字节长度的字符串；对截取的字符 串进行异或校验，然后与第35个(即最后一个字节)的数值进行比较。如果结果相同， 说明截取的字符串是一帧有效的sbus信号。sbus的信号解码即可开始，逐个字节解 析sbus串行信号：在截取的字符串中，逐个读取第i 1到第i 32个字节(共32个字 节)，每2个字节构成一个操控通道的整形数值。第i 33个字节中含有按钮开关通道 17-18、以及遥控器失联和失控保护状态信息，通过逐位读取即可获得。
[0079]
参见图6，所述sbus信号处理模块对sbus串行信号进行解析的方法具体包括以 下步骤：
[0080]
s1，开始；
[0081]
s2，读取缓冲区内的字符串；
[0082]
s3，设定计数变量i＝1；
[0083]
s4，判断第i个字符是否等于0x0f？如果是，进入下一步s7，如果否，进入s5；
[0084]
s5，i设置为i 1；
[0085]
s6，判断i是否超过最大值？如果否，返回步骤s4；如果是，进入步骤s11；
[0086]
s7，计算由第i到i 33个字符组成的字符串的异或校验值；
[0087]
s8，判断第i 34个字符与异或校验值相等否？若相等，进入下一步；若不等，进 入步骤s5；
[0088]
s9，解算sbus信息，第i 1到i 32个字符代表了1-16通道的sbus指令，第i 33 字符串符合含有17-18通道指令、以及遥控器失联状态、失控保护状态信息；
[0089]
s10，得到有效的sbus信息，输出结果；
[0090]
s11，输出上一次运行此程序得到的sbus信息。
[0091]
通过上述步骤，即得到了全部的遥控器接收机发出的sbus输入操控指令。
[0092]
最后，sbus的操控指令被sbus信号处理模块2输出，用于对飞机仿真系统中的 仿真目标进行操控，解析出的sbus操控的数据可以分为四组：
[0093]
(1)1-16通道的操控整形数值；
[0094]
(2)17-18按钮开关通道的开关状态；
[0095]
(3)遥控器失联状态；
[0096]
(4)失控保护状态。
[0097]
四组数据最终输入至仿真模型中，实现对仿真对象的操控。
[0098]
以上说明对本发明而言只是说明性的，而非限制性的，本发明旨在提供一种无人 机或航模的遥控器与simulink飞行仿真系统的接口，通过该接口可以实现sbus信号 精准地转换为uart信号，避免了通道精度受到损失。在不脱离权利要求所限定的精神 和范围的
情况下，可作出许多修改、变化或等效，例如：改变解码芯片的型号，以及 替换信号电平反转电路，但都将落入本发明的保护范围之内。