基于Matlab/Simulink的飛行器全數(shù)字仿真平臺的設(shè)計

趙玉強(qiáng) 鞠夢賢 孫維玉 張文君 郭帥

摘 要：針對飛行仿真的研究通常會忽略仿真模型或平臺的通用性、可重性及互操作性等問題，采用對所設(shè)計仿真平臺的功能進(jìn)行詳細(xì)劃分和描述，構(gòu)建總體仿真系統(tǒng)框架的措施來解決這些問題。首先，在Matlab環(huán)境下建立飛行器全數(shù)字仿真平臺，利用該平臺可以進(jìn)行動力學(xué)分析、飛行控制系統(tǒng)設(shè)計及航跡規(guī)劃等不同任務(wù)。其次，利用MATLAB 提供的GUI 接口實現(xiàn)人機(jī)交互界面的設(shè)計的設(shè)計。所設(shè)計平臺模塊的劃分相對獨(dú)立，人機(jī)交互界面可修改飛行器的相關(guān)信息，具有較強(qiáng)的通用性。

關(guān)鍵詞：Matlab/Simulink GUI 飛行控制 數(shù)字仿真 仿真平臺

中圖分類號：V274 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2013）02（c）-00-01

飛行器可以被應(yīng)用于運(yùn)輸、救生、對地觀測、空中預(yù)警以及通訊中繼，因此其在軍事和民事領(lǐng)域中都有很大的應(yīng)用前景。因此對飛行器進(jìn)行仿真分析很有必要，同時仿真也是對飛行器的動力學(xué)特性分析、控制律設(shè)計等工作的重要手段。MATLAB作為一種面向科學(xué)計算、可視化以及交互式程序設(shè)計軟件。

它將數(shù)值分析、矩陣計算、科學(xué)數(shù)據(jù)可視化以及非線性動態(tài)系統(tǒng)的建模和仿真集于一身，為科學(xué)研究、工程設(shè)計以及必須進(jìn)行有效數(shù)值計算的眾多科學(xué)領(lǐng)域提供了一種全面的解決方案。Simulink是MATLAB提供的仿真工具，可以方便地進(jìn)行動態(tài)系統(tǒng)建模、仿真、分析等。該文基于Matlab GUI建立飛行器的全數(shù)字仿真平臺。利用該平臺可以快速地進(jìn)行用飛行器的全數(shù)字仿真，根據(jù)參數(shù)設(shè)置的不同進(jìn)行航跡規(guī)劃、實時狀態(tài)參數(shù)顯示和仿真結(jié)果顯示等仿真工作。

1 仿真系統(tǒng)框架設(shè)計

仿真系統(tǒng)可分為導(dǎo)航和控制模塊、執(zhí)行模塊、飛行器動力學(xué)模塊和人機(jī)交互界面模塊。其中導(dǎo)航控制模塊又分為航跡規(guī)劃模塊、接受指令模塊、飛行管理系統(tǒng)、導(dǎo)航系統(tǒng)及控制系統(tǒng)五個子模塊，導(dǎo)航子模塊把飛行器的狀態(tài)信息傳給飛行管理系統(tǒng)，飛行管理系統(tǒng)根據(jù)航跡規(guī)劃的要求處理后給出模態(tài)控制信號從而控制著飛行器的飛行，執(zhí)行模塊由舵機(jī)模型組成。如圖1所示。

2 基于Matlab/Simulink的非線性數(shù)學(xué)模型的建立

該文在Matlab/Simulink下建立飛行器非線性數(shù)學(xué)模型，飛行器非線性數(shù)學(xué)模型主要包括縱向和橫側(cè)向插值模塊、發(fā)動機(jī)模塊、力變換模塊、力矩變換模塊、飛機(jī)動力學(xué)模塊。氣動數(shù)據(jù)反映到飛行器運(yùn)動方程中主要是以三個力和三個力矩形式給出的，即阻力D、側(cè)力Y、升力L、滾轉(zhuǎn)力矩R、俯仰力矩M、偏航力矩N。這些力和力矩在數(shù)學(xué)模型中通過力變換模塊和力矩變換模塊進(jìn)行計算。在所建立的非線性數(shù)學(xué)模型基礎(chǔ)上，基于PID及非線性控制方法即可設(shè)計飛行控制系統(tǒng)。如圖2所示。

3 基于Matlab GUI的人機(jī)交互界面設(shè)計

圖形用戶界面（GUI，Graphical User Interfaces）在MATLAB程序開發(fā)中起著舉足輕重的作用。隨著Matlab中GUI技術(shù)的發(fā)展，己經(jīng)可以像VC一樣，建立一個界面進(jìn)行數(shù)據(jù)、曲線顯示和控制操作。Matlab用戶圖形接口GUI，則可以編出圖形、數(shù)據(jù)顯示以及指令輸入界面。圖形用戶界面（GUI）可以通過Matlab提供的界面設(shè)計工作臺（Layout Editor），設(shè)計出具有菜單和用戶控件的復(fù)雜窗口。Simulink通過S-function對GUI的數(shù)據(jù)傳輸。在GUI模塊中，每個控件都有獨(dú)立的句柄。通過句柄就能實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的控制及刷新。例如質(zhì)量M的輸入編輯框的句柄Tag為M_input，該編輯框?qū)?yīng)著一個回調(diào)函數(shù)：function M_input_Callback（hObject，eventdata，handles）

如果需獲取相關(guān)信息，只要先找到相關(guān)的句柄即可，如需獲取飛行器的質(zhì)量M信息，即需先找到其句柄，如下所示：M=str2num（get（handles.M_input，String））；

其中handles.M_input是獲取相應(yīng)編輯框的句柄。

4 結(jié)語

該文對飛行器的仿真系統(tǒng)及其平臺設(shè)計進(jìn)行研究及分析，基于Matlab simulink建立飛行器的數(shù)學(xué)模型，同時利用GUI建立人機(jī)交互界面，對飛行器數(shù)學(xué)模型及控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真驗證。

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