小型无人机实时仿真系统设计研究

小型无人机实时仿真系统设计研究
选择了基于MATLAB的仿真设计平台,建立了无人机系统六自由度数学模型,构建了基于xPC Target工作模式的无人机实时仿真系统。

无人机实时仿真技术可有效解决飞控系统设计验证问题,大大降低无人机研制风险和试验费用。

标签：MATLAB;小型无人机;实时仿真
1 无人机系统六自由度数学模型的建立
根据无人机所受的力和力矩,以及无人机的重心、转动惯量等,由动力学和运动学方程即可求取无人机的六自由度运动方程。

具体为:
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)
=-V xsinφcosθ+Vy(cosψsinγ+sinθsinγ)+Vz(cosψcosγ-sinψsinθsinγ)
式中,[V,α,β,ωx,ωy,ωz,θγψ,x,H,z]T分别表示空速、迎角、侧滑角、滚转/偏航/俯仰角速率、俯仰角、滚转角、偏航角、纵向位移、高度、侧向位移。

2 无人机实时仿真系统
2.1 硬件系统
硬件系统主要由仿真计算机、飞行控制器、飞机传感器、飞行模拟转台和接口设备等组成。

其中仿真计算机主要对无人机运动规律和仿真结果进行可视化输出,并进行相应的处理。

因此,仿真计算机包括运动学解算计算机、视景仿真计算机、监控数据处理计算机、接口通讯计算机等。

各仿真计算机可以通过网络连接来相互通讯。

2.2 软件系统
软件系统为MATLAB RTW系统。

RTW是MA TALB软件的重要组成部分。

RTW与MATLAB可以实现无缝连接,既满足了设计这在系统概念与方案设计等的需求,也为系统的技术实现或完成不同功能的系统实时操作实验提供了方便,并且为并行工程的实现创造了一个良好的环境。

本文采用的是xPC Target方案,xPC Target是RTW的附加产品,它是一种“双机型”的解决途径,即xPC Target需要使用两台PC机,其中宿主机用于运行Simulink,而目標机则用于执行所生成的代码。

目标PC机运行了一个高度紧缩型的实时操作内核,该实时操作内核采用了32位保护模式,通过以太网络连接或串口线连接来实现宿主机和目标机之间的通信。

2.3 系统构成
本文采用的实时仿真系统主要由以下几部分构成:
(1)实时仿真机:主要用来模拟飞机的运动。

(2)飞行控制器:实现飞行管理及控制。

(3)传感器:陀螺、高度表、磁航向计等。

(4)飞行转台:复现无人机姿态运动。

(5)接口设备:高速串口板、FO板卡、网卡。

(6)支持服务系统:显示、记录、文档等软硬件。

系统的具体结构为:
上图中详细的描述了飞控实时仿真的结构。

仿真系统的工作流程为:由仿真计算机控制半实物仿真过程的进行,在给定初始条件及模型参数后,半实物仿真开始,仿真计算机解算无人机的运动方程,解算完毕即将有关状态信号输出给飞行模拟转台。

飞行模拟转台接受飞机姿态信号后,复现飞机的姿态运动,放置在转台上的垂直陀螺和传感器感受飞机的姿态及其变化,飞行控制器由此产生控制信息控制舵机,最后,舵角传感器将舵角信号传给仿真计算机。

仿真结果可以通过网络与PC机实时通讯,由PC机实时显示各状态变化曲线,也可以通过投影仪显示无人机的三维运动场景。

参考文献
[1]姚俊,马松辉.Simulink建模与仿真[M].西安:西安电子科技大学出版
社,2002.
[2]黄忠霖.控制系统Matlab计算及仿真(第2版)[M].北京:国防工业出版社,2004.
[3]杨涤,李立涛,杨旭,等.系统实时仿真开发环境与应用[M].北京:清华大学出版社,2002.。