基于MATLAB的通用飞行器仿真

军事测控技术
文章编号: 1671-4598( 2008) 08-1141- 04
计 算 机测 量 与控 制 . 2008 . 16( 8) Computer Measurement & Control
中图分类号: T P391
文献标识码: B
# 1141 #
基于 MATLAB 的通用飞行器仿真
梁 勤, 马捷中, 翟正军
关键词: 飞行仿真; 通用飞行器; 扩展标记语言;
General- aviation Fight Simulation Based on MATLAB
Liang Q in, Ma Jiezho ng , Z hai Zheng jun
( Schoo l of Co mputer, N ort hw estern Po lyt echnical U niv ersity , X i. an 710072, China) Abstract: In t he fields of f light sim ulati on, Th e f light m odel bui lt in t he past usually i gn ored t he reusabilit y and int eroperati on1 A G eneral- aviat ion fligh t simul at ion devel op soft w are bas ed on M A TL A B is int roduced1 T he sof tw are w as developed b y using t he S IM U LIN K bl ock set in M A TLA B an d port able C/ C+ + 1 Build g eneral aircraft wh ole non- linear equat ions and t ak e m ain fact ors of fig ht er perf ormance int o accou nt1 T he object - orient ed t hinki ng an d modularized met hod w ere applied in t he development of simul at ion m od el , t h e X M L w as us ed t o dyn amicall y con figur e th e w hole simu lat ion model1 Several unit m at h model s w ere int roduced1 T he s of t w are h as made good eff ect on validat ing t he cont rol law of t h e aircraf t Key words: f light simul at ion; M A TL A B; gen eral aviat ion aircraf t; X M L
真软件包。并且使用 XM L 语言建立 仿真位置 文件, 将飞 行器 各中数据参数组织起 来, 实现 模型与数据相分离。
1 系统组成及数学模型
飞机对象的建模 是研究飞行控制系统[2] 和其它以飞机为对 象研究工作的基础。主要功能是对飞行 控制系统的输入做出反 应, 对飞机空气动力特性进行 仿真; 解 算飞机的六自由度非线 性运动方程; 并且对大气环境的变化, 飞机本身 的变化 ( 如起 落架, 襟翼收放等造成构型变 化) 对飞 行造成的影响进行仿真 解算。
( 西北工业大学 计算机学院, 陕西 西安 710072)
摘要: 在飞行仿真研究方面, 以往建立的飞行器仿真模型往往忽略了模型的通用性, 可重 用性以及互操 作性等问题; 文中 介绍了基 于 M A TLA B 开发的飞行器仿真软件; 使用 M A TLA B/ SIM U LINK 作为仿真软件开发环境, 根据六自由度飞机对 象建模的一般 方法和原 则, 建立通用的飞行器全量非线性方程, 并考虑了决定飞机性能的绝大多数因素; 以面向对象 的思想模块化 的方式建立仿真 子模块, 利 用 X M L 对整体仿真模型进行动态配置; 讲述了系统各模块架构及其数学模型; 在飞行控制律验证方面, 该仿真软件发挥了巨大的功效。
如马赫数, 高度, 迎角, 侧滑角, 飞机重心位置以及角速度等 飞行参数和操纵面的位置, 液压系统提供的起落架和襟翼的位 置, 计算稳定轴上的气动系数, 最后计算出机体轴上的气动力 和力矩, 输出到飞机六自由度运动模型模块。气动力主要依据 气动压力和稳定轴上的气动力系数计算而来。
气动压力 q =
1 2
QV a2
,
升力 系数,
阻 力系数,
侧 力系数
的计算公式分别为:
CL = CLO + CL A# A+ CL De # D
+
c 2V
(
A
C
L
A
#
A
+
CLq # q) +
CLM # M
CD =
CD0 +
CL - CL0 + PeA R
CD Df
# Df +
CD De # De
+ CD DA # Da + CD Dr # Dr + CL M # M
C
Dr n
#
Dr
+
2
b V
a
(
C
n
p
#
p
+
Cn r # r )
俯仰力矩, 滚转力矩, 偏航力矩计算公式为:
M=
1 2
QVa
1 2
QVa 2
SbCl
,
N=
1 2
QV
a2
SbCn
其中, q 为动压, Q为 空气密度, Va 为飞 行速度 ( 在飞机
对称平面上的投影) , S 为机翼面积, b 为机翼 展长, c 为 机翼 平均气动弦长。
飞机对象的建模与仿真 是进行 飞机飞行 仿真研 究的基 础。 以前由于计算机性能低, 飞机本体模型的研究往往集中在数值
解算方法上, 通过减少数值解算的计算量来提高实时性, 忽略 了模型本身的重用性, 互操作 性等问 题。并且由 于 数据与模型 紧密 耦 合, 一 种 模型 只 能 仿 真 一 种 机 型, 当仿真其它机型时 , 只能修 改模型, 给 仿真 系
图 1 通用飞行器仿真模型
11 1 组成 通用飞行器仿真 模型的主要组成模块及其之间的关系如图
1 所示。 输入数据包括: 由飞行控制系统传 来的操纵面位置和控制
指令; 来自燃油系统的燃油重量, 飞机的质量, 重心位置 及转 动惯量; 襟翼, 起落架位置和收放状态, 推进系统解算出 的推 力等。在飞行控制模块中, 根据操纵指 令和控制规律计算舵面
CY =
CY B# BC DrA# DA +
CY Dr # Dr +
2
b V
a
(
C
Y
P
#
p
+
CYr # r)
升力, 阻力和侧力的计算公式分别为:
L=
1 2
QVa
2
SC
L
,
D=
1 2
QV
a2
SC
D
,
Y=
1 2
QVa
2
SC
Y
。
气动力矩主要依据气动压力和稳定轴上的气动力矩系数计
算而来, 其 中俯仰力矩系数, 滚转力矩系数, 偏航力矩系数计
图 2 空气动力学模块 11 21 3 推进系统模块
根据不同种类的 发动机 ( 包括电动机, 喷气式以及活塞式 等) 和推进装置 ( 螺旋桨, 喷 口等) , 采用相 应的算 法计 算发 动机产生的推力和力矩。尽管推进系统 本身是十分复杂种类繁 多[ 4] , 本仿真软件尽力 保持推进 系统模 型的通 用性和 普遍性, 使得可以快速开发和测试功能 完善的飞行器模型。输入数据包 括飞行控制系 统传 来的 控制 量, 当 前海 拔高 度下 的大 气压 强 P , 气温 T , 空 气 密 度 rho, 和 风速。 输 出数 据 有: 推力 矢 量 F pr op, 推力力矩 M pro p, 发动机 传动 轴转速 Omeg a, 发 动机 系数 Eng co eff ( 包 括空气流量, 燃油流量, 发动机油耗量 和功 率, 进气歧管压力) , 螺旋桨系数 P ro pcoeff。 11 21 4 地球数据模块
根据当前飞 行器 所 处的 地 理位 置 ( 纬 度, 经 度, 海 拔) , 采用 WGS- 84 地球 模型系数计算出飞行 器当前所 处位置 的子 午半径, 标准半径, 等价半径以及重力 加速度作为导航模块和
第8期
梁 勤, 等: 基于 M A T L AB 的通用飞行器仿真
# 1143 #
惯量模块的输入参 数。根据 WM M - 2000 地磁 模型 计算 磁航
统的维护与扩展带来了 不便。本文 基于面 向对象 与 模块化的思想, 将系统分 解为一系 列功能 相对独 立 的子系统, 再进行仿真 模型集 成, 构建出 飞行器 的 总体模型。使 用 基本 的 SIM U L IN K 模块 以 及 C/ C
+ + 代码, 开发了 基于 M A T L A B 的通 用飞 行器 仿
向角, 可以作为飞行控制系统中三维捷联磁传感器仿真器。 11 21 5 惯量模块
由飞行器满燃油以及空燃油时质量, 重心, 惯矩以及初始 携带燃油量, 计算飞机的质量, 重心, 惯矩随燃油消耗, 外挂
收稿日期: 2007-11-01 ; 修回日期: 2007-12-15。 基 金 项 目: 国 防 基 础 科 研 项 目 ( B2720060300 ) ; 航 空 基 金 ( 2007ZD53040) 。 作者简介: 梁 勤( 1983- ) , 男, 陕西咸 阳人, 硕 士研究 生, 主 要从事 计算机应用技术、虚拟现实技术、测控技术等方向的研究。 马捷中( 1967-) , 女, 陕西西安人, 副教 授, 硕士 生导师, 主要 从事计 算机应用技术方向的研究。 翟正军( 1965-) 男, 河南洛阳人, 教授, 硕士生导师, 主要从事计算机 应用技术方向的研究。