小型無人機實時仿真系統設計研究

摘 要:選擇了基于MATLAB的仿真設計平臺，建立了無人機系統六自由度數學模型，構建了基于xPC Target工作模式的無人機實時仿真系統。無人機實時仿真技術可有效解決飛控系統設計驗證問題，大大降低無人機研制風險和試驗費用。

關鍵詞:MATLAB;小型無人機;實時仿真

中圖分類號:V411.8文獻標識碼:A文章編號:16723198(2010)01030501

1 無人機系統六自由度數學模型的建立

根據無人機所受的力和力矩，以及無人機的重心、轉動慣量等，由動力學和運動學方程即可求取無人機的六自由度運動方程。具體為:

x=Fx/m+Vyωz-Vzωy

y=Fy/m+Vzωx-Vxωz

z=Fz/m+Vxωy-Vyωx

x=[L-(Iz-Iy)ωyωz]/Ix

y=[N-(Ix-Iz)ωzωx]/Iy

z=[M-(Iy-Iz)ωxωy]/Iz

=ωysinγ+ωzcosγ

=ωx-tanθ(ωycosγ-ωzsinγ)

=(ωycosγ-ωzsinγ)/cosθ

=Vxsinθ+Vycosθcosγ-Vzcosθsinγ

=Vxcosψcosθ+Vy(sinψsinγ-cosψsinθcosγ)+Vz(sinφcosγ+cosψsinθsinγ)

=-Vxsinφcosθ+Vy(cosψsinγ+sinθsinγ)+Vz(cosψcosγ-sinψsinθsinγ)

式中，[V，α，β，ωx，ωy，ωz，θγψ，x，H，z]T分別表示空速、迎角、側滑角、滾轉/偏航/俯仰角速率、俯仰角、滾轉角、偏航角、縱向位移、高度、側向位移。

2 無人機實時仿真系統

2.1 硬件系統

硬件系統主要由仿真計算機、飛行控制器、飛機傳感器、飛行模擬轉臺和接口設備等組成。其中仿真計算機主要對無人機運動規律和仿真結果進行可視化輸出，并進行相應的處理。因此，仿真計算機包括運動學解算計算機、視景仿真計算機、監控數據處理計算機、接口通訊計算機等。各仿真計算機可以通過網絡連接來相互通訊。

2.2 軟件系統

軟件系統為MATLAB RTW系統。RTW是MATALB軟件的重要組成部分。RTW與MATLAB可以實現無縫連接，既滿足了設計這在系統概念與方案設計等的需求，也為系統的技術實現或完成不同功能的系統實時操作實驗提供了方便，并且為并行工程的實現創造了一個良好的環境。本文采用的是xPC Target方案，xPC Target是RTW的附加產品，它是一種“雙機型”的解決途徑，即xPC Target需要使用兩臺PC機，其中宿主機用于運行Simulink，而目標機則用于執行所生成的代碼。目標PC機運行了一個高度緊縮型的實時操作內核，該實時操作內核采用了32位保護模式，通過以太網絡連接或串口線連接來實現宿主機和目標機之間的通信。

2.3 系統構成

本文采用的實時仿真系統主要由以下幾部分構成:

(1)實時仿真機:主要用來模擬飛機的運動。

(2)飛行控制器:實現飛行管理及控制。

(3)傳感器:陀螺、高度表、磁航向計等。

(4)飛行轉臺:復現無人機姿態運動。

(5)接口設備:高速串口板、FO板卡、網卡。

(6)支持服務系統:顯示、記錄、文檔等軟硬件。

系統的具體結構為:

上圖中詳細的描述了飛控實時仿真的結構。仿真系統的工作流程為:由仿真計算機控制半實物仿真過程的進行，在給定初始條件及模型參數后，半實物仿真開始，仿真計算機解算無人機的運動方程，解算完畢即將有關狀態信號輸出給飛行模擬轉臺。飛行模擬轉臺接受飛機姿態信號后，復現飛機的姿態運動，放置在轉臺上的垂直陀螺和傳感器感受飛機的姿態及其變化，飛行控制器由此產生控制信息控制舵機，最后，舵角傳感器將舵角信號傳給仿真計算機。仿真結果可以通過網絡與PC機實時通訊，由PC機實時顯示各狀態變化曲線，也可以通過投影儀顯示無人機的三維運動場景。

參考文獻

[1]姚俊，馬松輝.Simulink建模與仿真[M].西安:西安電子科技大學出版社，2002.

[2]黃忠霖.控制系統Matlab計算及仿真(第2版)[M].北京:國防工業出版社，2004.

[3]楊滌，李立濤，楊旭，等.系統實時仿真開發環境與應用[M].北京:清華大學出版社，2002.