中小型无人机仿真平台的构建与仿真研究

中小型无人机仿真平台的构建与仿真研究

1基于pc平台的中小型无人机数字仿真平台的构建无人机（iuv）是一种带有动态电机、无人驾驶、可以重复使用的飞机。论文针对中小型无人机的模拟训练技术进行前期的数字仿真平台建立与仿真研究分析，具有重要的现实意义，通过在PC机上构建了中小型无人机的数字仿真平台，进而进行全数字或半物理的仿真试验，所建立的仿真平台不仅可以评价飞行品质，模拟中小型无人机飞行全过程，还可以缩短研制周期，降低研制费用，为后续的无人机飞行控制系统和模拟训练系统研制奠定基础。2中小型无人机的建模2.1仿真平台建设无人机飞行系统的起飞与着陆性能，空中飞行操控性能、系统自动化性能、飞行安全可靠性能与可维护性能在很大程度上都取决于飞行控制与导航系统的设计。无人机飞行仿真平台是无人机飞行控制与导航系统设计的有力工具，通过构建仿真平台不仅可以验证飞行控制律的设计，导航算法的正确性，还能够缩短系统的研制周期和降低系统的研制费用。因此，开发并建立飞行仿真平台课题为无人机飞行控制与导航系统的前期研究提供一个有力的工具。传统飞行仿真都是采用C语言方式，这就需要大量的时间对其空气动力学模型、控制与导航模型进行编程实现，如果飞机气动布局改变，需要重新建模并使用C语言编写模块程序，如果采用硬件在回路仿真时，硬件的调试则更为繁琐。针对采用C语言形式编写与调试的复杂性，本文采用基于Simulink形式下无人机模块化的设计思想，建立了典型中小型无人机数字仿真平台，各个仿真子模块可以方便的组合并用于飞行仿真系统的初期设计，Matlab/Simulink所设计的仿真平台具有直观、形象且实现代码短，操作维护容易等特点，还能大大减少了开发时的工作量。2.2地面标准条件假设无人机在空中飞行时主要受重力、发动机推力和飞机所受的空气动力的作用(1)假定无人机为刚体且质量为常数，忽略无人机弹性影响;(2)假设无人机质量与质心不发生变化;(3)将地球视为惯性系统，即将地面坐标假设为惯性坐标;(4)忽略地球曲率，即采用:“平面地球假设”;(5)假定重力加速度为常数，即重力加速度不随飞行高度变化而变化;(6)假设机体坐标中OX轴和OZ轴处于飞机对称平面内，因而惯性积I1)重力设飞机的质量是mkg，重力加速度是g，则飞机所受的重力分解到机体坐标系上为:2)发动机推力设发动机推力为P，发动机安装角为φ发动机推力及其推力偏心距所产生的俯仰力矩为:3)空气动力无人机飞行时所受的空气动力包括两部分:1)作用于无人机质心的总空气动力R其中，C无人机动力学方程可以表示为式(5)和(6):2.3无人机运动学模型对于中小型无人机而言，其飞行高度H和运动速度V不是很大，在建立运动方程时候可以将大地当做平面，即大地是惯性坐标系。无人机全量运动方程可以采用非线性刚体运动方程，一般用6自由度的12个运动状态表示为式(7)和(8):根据无人机相关特征参数即可求解无人机任意时刻运动状态。飞机运动的微分方程通常为非线性一阶微分方程组，它不能用普通的解析法解算，只能用相应的数值算法进行解算。应用数值算法既要考虑有较高的精度，还要考虑计算速度，从而满足仿真的逼真度和实时性要求。3无人机仿真环境中小型无人机特性建模与实现技术是中小型无人机飞行仿真技术的基础，随着计算机仿真技术的发展，无人机对象特性建模逐步向计算机仿真环境过渡。无人机数学建模的飞行仿真系统的被控对象是无人机。而在无人机飞行仿真模型的设计中需要了解无人机的运动特性。在设计过程中，各种仿真技术为研究无人机飞行仿真系统提供了有效的支持。3.1无人机气象控制的仿真在无人机研制开发中，需要进行大量的地面实验来决定样机的性能，由于在实物上进行试验具有很大的局限与风险，所以通常需要一个仿真平台对系统性能进行仿真。对无人机操作手进行训练时，为了降低不必要的损失，通常也需要一个仿真平台，能够根据操作手的输入参数，实时反映出飞机的状态变化，从而达到熟练操作和排除故障的要求。另外，在无人机设计过程中通常需要实现参数的动态调整，并实时显示出飞机的运行状态，以便得到最优参数，所以也需要一个无人机的通用仿真平台在无人机的研制过程中，使用最多的是数学仿真和半物理仿真。数字仿真就是用数学模型去表述一个系统，并编制程序在计算机上对实际系统进行研究的过程。数学仿真把研究对象的结构特征或输入输出特征抽象为一组数学表述(微分方程、状态方程，可分为解析模型、统计模型)来研究;半物理仿真又称为混合仿真，它是为了提高仿真的可信度或针对一些难以建立的模型系统，在系统研究中往往把数学模型、物理模型和实体结合起来组成一个复杂的仿真系统。这样可以避免全数字仿真中由于非线性部件建立数学模型的不准确性所带来的误差，从而大大提高仿真的可信度3.2基于sim发模型的无人机仿真系统建模MATLAB/Simulink环境为无人机对象特性建模与无人机飞行控制律设计提供了集成设计环境，该设计环境大大提高了无人机飞行控制律的设计效率。Matlab/Simulink具有强大的数据与函数处理功能，非常适合于无人机研制初期的飞行控制率设计和模态的飞行仿真。论文采用了Simulink工具箱进行无人机飞行仿真系统建模，因为基于Simulink的模块化设计方案具有可重用、操作简单等特点，同时它还能够通过RTW(Realtimeworkshop)工具箱，生成在不同平台上运行的可执行代码(即．exe文件)。Simulink含有丰富的工具箱，包括了用于飞行器建模仿真的Aerospace工具箱根据具体需求将模型按照数据流程搭建起来，根据具体的仿真需求修改模块的相关参数4典型参数输出对比在Simulink环境下搭建无人机仿真模型，其结构如图2所示，主要包括三部分:输入控制量部分(图左边输入量模块，如副翼、升降舵、方向舵等);无人机模块(中间的无人机＿UAV模块);无人机状态输出部分(地速、滚转速率、俯仰速率、偏航速率等)。其中，无人机是中间的无人机＿UAV模块，它是系统的核心部分，它内部包含了图1无人机仿真数据流程图中各个相关的子模型模块。针对某典型小型无人机如图2所示，进行仿真分析，此无人机的重量约为10kg，机翼展长约为3.2m，机翼参考面积约为0.65m1)理想状况即不考虑风干扰，设风速向量为[000]，设置仿真初始的速度为23m/s，其舵偏角均为0o，速度回路加入了PID控制，经过一段时间速度稳定到了25m/s上下，俯仰角逐渐稳定到了1.7°，由于没有风干扰，且没有舵偏角，偏航角基本保持在0°附近。理想环境下无人机典型参数(空速、滚转角、俯仰角和航偏角)输出如图4所示。2)真实大气环境即考虑风干扰，设风速向量为[20-100]，即只考虑横侧向的风向量。设置仿真初始的速度是23m/s，速度回路也加入了PID控制，经过一段时间可以看出速度稳定到25m/s上下，俯仰角逐渐稳定到了1.7°，偏航角在横侧向风干扰下出现了32°的偏航角。飞行器的典型输出参数在达到基本稳定后，在风干扰的影响下在稳定值附近出现了高频震荡现象，这与实际状况也较为相符。真实环境下无人机典型参数(空速、滚转角、俯仰角和航偏角)输出如图5所示。对比分析两种情况下某小型无人机典型飞行参数输出结果可知，真实大气环境下的飞行参数更贴近实际状况，从典型参数的输出可以看出风干扰对无人机典型参数的影响。通过仿真分析可以为下一步飞行控制系统及无人机模拟训练系统的设计提供工程依据。5基于matlab/sim选型平台的动态仿真论文介绍了中小型无人机的分类、特点及在现代军事中的广泛应用，通过分析中小型无人机的动力学特性和运动学模型，在数字仿真时做出了适合于中小型无人机特点的简化处理，根据无人机具体气动参数和仿真数据流程建立了基于Matlab/Simulink环境下模块化的某小型无人机仿真模型，通过仿真对比理想环境和真实环境下该型无人机的4个典型飞行参