基于Simulink的无人机自主飞行全程仿真研究

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1、第40卷第5期20lO年9月航空计算技术AeronauticalCompubngTechniqlleV01．40No．5S印．2010基于Simulink的无人机自主飞行全程仿真研究耿通奋，黄大庆(南京航空航天大学无人机研究院，江苏南京2l0016)摘要：研究在Simulink下进行无人机自主飞行全程仿真的方案，用Aer惦pace模块建立无人机的非线性数学模型，以simulink的使能模块构造内回路控制律，staten洲实现外回路的制导、导航模块，并使用仪表模块和虚拟现实模块实现实时监控，可以搭建

2、出完全基于simulink的模型，能够实现控制律和控制策略的仿真验证。无人机的多模态仿真结果说明Matlab／Simulink下实现飞行控制全程仿真的有效性。关键词：无人机自主飞行仿真；飞行控制；Aerospace模块；Stateflow中图分类号：V249文献标识码：A文章编号：1671．654X(2010)05．0112．05引言飞行控制律和控制策略的仿真验证是飞行控制设计的重点，通常控制律在Matlab下就能实现仿真，而包括(导航、制导)的控制策略仿真验证只能在半实物仿真下进行。这需要在硬件

3、上建立起硬件仿真系统，包括飞行控制计算机和飞行控制仿真机，仿真机上运行无人机数学模型提供传感器仿真信号给飞行控制计算机，飞行控制计算机运行控制律和控制策略输出执行舵面信号给仿真机。考虑到控制律设计前就在Mat—lab／Simulink下建立了非线性数学模型，设计结果的控制结构也是用Simulink方框搭建的，再增加制导和导航功能就能实现simulink下的自主飞行全过程仿真。能在Simulink环境下做全包线的仿真验证，有助于在设计初期减少错误，优化控制、制导和导航方法，对控制律设计具有非常重要的

4、意义。利用Madab6．5的Aemspace、Statenow等模块实现SimuliIlk下全自主飞行的多模态仿真验证。_剖磷H。豢。粉囊图1自主飞行仿真模型自主飞行仿真如图1所示，无人机非线性模型用Aemspace建立，控制模态设计成simulink使能子模块，制导和导航用Statenow建立，实时监控模块使用仪表模块和虚拟现实模块。整个仿真系统完全在simu—link下建立。1使用Aemspaee模块进行无人机非线性建模1．1Aerospace模块介绍Matlab6．5提供的航空宇航模块(Ae

5、rospaceBIockset)将航空航天领域的通用的标准模块在Simu．1ink环境进行了集成，能够方便地组合航空航天飞行器的系统结构，并在此基础上进行完整的系统开发、测试工作，完成航空航天系统的概念设计。非线性模型是根据无人机12阶微分方程⋯，并利用风洞试验结果数据建立的，建模时主要是计算气动力／气动力矩、描述12阶微分方程。以前比较常用的是s—function非线性建模，使用Aerospace模块建模仿真速度有了很大的提高。1．2计算气动力系数和气动力矩系数主要工作是使用Simulink的L

6、ookupTable模块对气动数据进行线性插值，求阻力系数cD、升力系数Cy、侧力系数观、俯仰力矩系数C尺、滚转力矩系数CM、偏航力矩系数cⅣ。图2是求取副翼对气动系数的贡献量，Prel00k—UpIndexSearch模块和Interpolation(n—D)UsingPre‰k．up模块配合使用很好地解决了线性插值问题。另外，把气动力和力矩系数写成一个向量，插值操作过程按执行机构增量、机体角速率减幅、迎角测滑角等影响因素分类对6个气动力和力矩同时插值，最后把气动力和力矩系数向量直接相加。这样建

7、模简洁，收稿日期：20lO—06．10修订日期：2010一07一15作者简介：耿通奋(1973一)，男，江苏金坛人，工程师，硕士研究生，研究方向为无人机飞行控制和飞行仿真。2010年9月耿通奋等：基于simulink的无人机自主飞行全程仿真研究·113·图2副翼对气动系数的贡献并避免了插值模块的重复使用。插值求出的气动力系数和气动力矩系数还需要转变成机体轴的气动力和气动力矩才能在后续的微分方程中使用。1．3描述12阶微分方程图3计算机体角加速度在Simulink下用方框图描述无人机的微分方程特别是

8、代数方程比较困难。建模时提倡使用向量、矩阵、矩阵方程，simulink对向量矩阵的计算提供了丰富的运算模块拉J，搭建矩阵表达式比数学表达式便捷。例如在使用线性角运动方程计算机体角加速度时，在s—function中就只能按微分方程列写，而Simulink中有矩阵求逆命令，有叉乘模块(CrossProduct)，可以直接使L’CR，CM，CN】[主]=一，一1([量]×[，[主]]]+I一1[誊]c-，2飞行控制律执行模块有了非线性模型，按飞行包线选取平衡状态进行配平、线性化，随后可以