固定翼机动飞行数据采集与分析_sbg数据采集板

        机动动作的姿态等信息可以通过对飞行数据采集得到，机动飞行对于数据的精度和频率有很高的要求，随着传感器精度的提高和日趋小型化，大量的手动飞行经验可以通过数据进行准确记录，无人机设计、建模和飞行测试可以通过数据驱动得到实现。

        在实际飞行中，可以采用GPS、加速度计、磁力计等传感器对飞机的位置、姿态角、控制量等数据进行记录。另一方面飞行仿真技术也是解决机动飞行的问题的一个思路，其中无人机的自动飞行仿真技术经济实用，有助于无人机设计方案的研究探索。常见的飞行仿真软件有FlightGear、X-Plane、PhoenixRC等。

一、实飞数据采集

（1）数据采集

        机动飞行不同于常规飞行，其姿态变化更为剧烈，以下飞机模型为F-16涡喷飞行器：翼展1630mm、长度2475mm，起飞重量20Kg，采用JetCat P200-Rx涡喷发动机，最大推力230N，搭载SBG数据采集板。针对筋斗、英麦曼、反向英麦曼、横滚、半古巴八字等机动动作进行了数据采集。

                                                                                      F-16涡喷飞行器

        SBG数据采集板采用Ellipse2-N微型惯性导航传感器，是一款工业级传感器。为了满足机动数据的快速采集，采用RS422接口和高度的串口数据记录仪来完成数据记录，记录数据采用二进制直接记录方式，传输速率可以到4Mbps，数据记录速率为200Hz。可以将俯仰角、滚转角、偏航角、GPS、四元数以16进制格式记录下来。

                                                                                 机动动作数据采集系统

        Ellipse2-N是微型惯性导航传感器，内置低噪声高质量的3个陀螺仪、3个加速度计和3个磁强计和气压传感器，外置GPS，惯导信号通过多项误差修正及标定，通过增强型的扩展卡尔曼滤波器，将惯性数据和GNSS信号、里程计、以及DGPS 信息等进行融合，可以提供非常优越的姿态和导航信息。它的典型特点是：体积小、重量轻，只有47g，惯导信号经过专业的补偿校准，原始信息准确可靠，组合导航算法成熟、稳定，经历过多场景、复杂应用模式的反复验证，始终可提供稳定可靠的航向、姿态信息。传感器精度如下表所列。

                                                                                Ellipse2-N精度信息

        实际飞行受限于场地和人员，实飞数据样本较小，难以支撑整个系统的训练，因此实验室搭建了飞行仿真系统，进行飞行数据的采集，作为实飞数据的补充。

二、仿真数据采集

（1）仿真训练系统以及数据采集

        实验室搭建了专门的仿真训练系统，可以更加便捷的进行飞行数据采集。飞手配置的仿真飞行控制器为罗技X-56 HOTAS RGB油门和摇杆控制器，含阻尼调节器和油门锁，具备6个自由度，可以实现飞行器的灵活操纵，同时为了方便机动动作的飞行仿真，我们采用了一台CPU为Intel® Core™ i7-6500U，内存8G，集成Intel(R) HD Graphics 520显卡的笔记本，和一台配置Intel® Core™ i5-2400处理器，8G内存，GeForce GTX 1050Ti显卡的台式机构建仿真平台。其中台式机配置固态硬盘，用于数据采集和第一视角飞行显示，笔记本通过网络通信显示第三视角的飞行轨迹，用于飞手判断和实现机动动作。

                                                                                           仿真训练系统

        飞行仿真软件选取X-Plane。X-Plane是一款模拟飞行软件，建立了全球主要机场的3D场景模型，支持自定义风场仿真，采用气动系数和翼型设计的方式进行飞机建模，支持光照、高度等环境建模，对飞机仪表、起落架、机体、发动机等都提供了比较逼真的建模。软件提供了很多轻型、商用、军用飞机，很多爱好者还根据公开数据建立了捕食者、扫描鹰、大乌鸦、哈比、猎鹰、鹰眼等著名无人机机型的模型。该软件扩展性非常好，通过场景制作工具WorldEditor、飞机制作工具PlaneMaker、C语言开发接口SDK、内部参数修改工具DataRefEditor和UDP数据交换工具，支持开发人员任意扩展功能。在X-Plane飞行仿真，数据可以以最高99Hz的速度记录，可以记录的数据包括飞机姿态、加速度、位置、操纵舵面控制量、飞行力和力矩、风场流速等，外部输入和内部状态可以很好的得到，对于建模与控制器设计师不错的数据来源。

                                                                               X-Plane中的F-16模型

       在机动飞行过程中，为采集更多的信息便于后续分析，利用X-Plane记录飞机俯仰、滚转、偏航角；俯仰、滚转、偏航角速度、油门量、升降舵、副翼舵、方向舵偏角；迎角、侧滑角、机体坐标系下三轴的速度分量、地面坐标系下三轴的位移等关键数据，飞行数据记录到硬盘数据采集的结果自动存储为文本文件。

（2）数据分析与处理

        仿真数据的采集可以根据实际需求调整，而且不受时间和地点的限制，可以得到更为丰富的数据。以下分别对筋斗、快速转弯、蛇形机动、英麦曼和破S机动进行数据的可视化分析。

                    

        可以看出，因为环境干扰、计算误差、飞手操纵熟练程度等原因，采集得到的数据会有较大波动，每次飞行效果相差较大。以下以筋斗动作为例，挑选出部分数据段进行分析：

由于X-Plane本身数值计算的原因，会导致偏航角和滚转角的部分数据值与实际物理意义不符，需要进行数值上的处理。

筋斗动作中，俯仰角在90度和-90度之间线性变化，其中在90度和-90度时，滚转角和偏航角会有180度的突变。