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1、2007年2月沈阳航空工业学院学报Feb.2007第24卷第1期JournalofShenyangInstituteofAeronauticalEngineeringVo.l24No.1文章编号:10071385(2007)01001303基于Matlab的无人机全过程飞行仿真唐斌黄一敏(南京航空航天大学自动化学院,江苏南京210016)摘要:为了对小型无人机全过程飞行仿真进行研究,根据无人机飞行控制回路和制导回路,搭建了模块化的系统仿真结构,将Matlab/Simulink和Stateflow有机结合起来,建立了易于维护和扩展的仿真环境。利用仿真环境对无人机的控制规律和制导规律进行了仿真
2、,结果表明了控制规律和制导规律的合理性,以及全过程仿真环境的实用性。关键词:飞行仿真;制导;无人机中图分类号:V249文献标识码:A无人机全过程飞行仿真,就是模拟无人机从运动方程来描述。根据执行机构的输入,通过六起飞到降落的一个完整飞行过程。飞行仿真试验自由度运动方程的解算产生制导回路所需的传感通常可以分为半实物仿真和数字仿真。半实物仿器信息。真是利用转台,飞行控制计算机、舵机等硬件在回执行机构模块由舵机模型组成,舵机模型需路的仿真,而数字仿真则是一种不需要任何实物要考虑舵面位置饱和和速率限制。执行机构模块[1]的仿真。为无人机六自由度运动模型输入控制量。飞行控制律通常是在Matlab/S
3、imulink下进行设计的,因此利用Matlab对飞行控制律性能进行[2]非线性验证比较方便。因为半实物仿真验证涉及大量的硬件环境,会大大影响飞行控制中的验证效率,所以本文采用Matlab环境下的可视化工具包Simulink和Stateflow实现无人机全过程飞行数字仿真,有助于在设计初期减少错误,优化控制和导航方法,对控制律设计也具有非常重要的意义。图1仿真系统结构图控制规律模块的功能是通过控制规律实现对1仿真环境的总体结构设计无人机的飞行状态控制。控制规律包括了无人机无人机全过程飞行仿真环境采用模块化设计纵向控制规律和横侧向控制规律。纵向控制规律思路,即按照系统功能,将系统划分为若干个
4、模就是姿态控制,姿态控制可以保持无人机的飞行块,每个模块实现一定的功能,若干个模块组成完姿态,还可以实现无人机的爬上、下滑、平飞。横整系统,使整个系统结构清楚,易于维护和扩充。侧向控制规律使用滚转控制,滚转控制在无人机无人机全过程飞行仿真环境可以分为四个模直线飞行时,保持滚转角为零来稳定航向。要改块,见图1。仿真环境的四个模块分别为:制导回变飞机航向时,可以通过滚转产生的侧力来改变路模块、控制规律模块、执行机构模块和无人机动航迹角。力学模型模块。其中制导回路是整个系统的核制导回路模块的功能是通过对无人机飞行状心,本文将主要讨论这部分内容。态的判断,给出无人机自主飞行的控制指令,以实无人机动
5、力学模块是通过无人机的六自由度现无人机的自主飞行。这种体系结构容易修改与维护,每个模块之收稿日期:20061015间是相对独立的,改变一个模块的内容不会影响作者简介:唐斌(1981),男,四川南充人,在读研究生其他模块的工作,为以后模块的扩展打下了基础。14沈阳航空工业学院学报第24卷采用新的数学模型或者模型需要新的配置都可以制导回路根据纵向控制指令给出相应的俯仰角指很简单的在此环境中更新实现,新的制导规律和令,通过控制回路控制无人机爬升或者下滑;采用控制规律都可以很快的在此环境中仿真验证。高度控制回路,进行定高飞行。横侧向可根据在当前航段的待飞距离,判断是否应该转入下一航2制导回路段,若
6、是,则采用航向控制,使无人机偏离原来的制导回路由飞行任务管理子模块化和制导规飞行方向,较快转向新航段的航迹方向。当偏航律子模块构成。飞行任务管理模块产生合适的制角小于一定的角度,则表明无人机进入新航段,进导策略调度相应的制导规律,协调整个控制系统行航迹控制,使无人机沿着预设航路自主飞行,再的运行。进入下一个航段。飞行任务管理模块的功能是根据无人机的飞3基于Matlab的数字仿真环境行状态,判断飞行阶段,选择制导规律。飞行任务管理模块根据无人机当前的位置(经度、纬度和高本文利用Simulink、Stateflow搭建无人机全过度),与航路信息比较,实时计算高度差、偏航角、程飞行仿真系统的数字
7、仿真环境。Simulink环境侧偏距和待飞距离,根据待飞距离的大小决定航可以实现对时间连续系统的仿真,Stateflow可以实段的切换。现状态的系统称为有限状态机的状态转移。该仿制导规律根据任务管理模块给出的飞行阶段真环境将Simulink和Stateflow技术有机地结合起信息,读取航路特征值,形成制导回路的指令信来。息,通过解算制导规律,产生控制回路的指令(俯制导回路和控制回路在Matlab中的实现如图仰角指令和滚转
