無人機建模與仿真技術

呂曉林

無人機在地空武器系統(tǒng)的模擬演練和兵力推演過程中，扮演中重要的角色，在現(xiàn)代戰(zhàn)爭發(fā)揮著越來越重要的作用。通過建立無人機運動學和動力學模型，分析了歐拉法及改進歐拉法、龍格——庫塔法（四階）、Admas預報—校正方法等數(shù)值解算方法和它們的優(yōu)缺點，研究了數(shù)字仿真、半實物仿真和物理仿真工作原理、系統(tǒng)組成和實現(xiàn)方法，對無人機建模和仿真進行了系統(tǒng)闡述，具有—定的借鑒意義和推廣應用價值。

在地空武器系統(tǒng)地面模擬演練過程中，無人機扮演著藍軍的角色;在事關戰(zhàn)爭勝負的兵力推演中，無人機充當了空中來襲敵方，無人機能否逼真地模擬敵方，其建模與仿真是關鍵，因此有必要對無人機系統(tǒng)建模和仿真進行系統(tǒng)闡述。

無人機建模

無人機的運動學和動力學模型

常規(guī)氣動外形的無人機運動學和動力學數(shù)學模型是十二階非線性微分方程組（T-T體系）。當存在定值風擾動W時，此時無人機的地速V與空速U有以下的關系，即V=U+W，假設V、U、W在T-T體系中的各自的分量分別為：

四階龍格——庫塔公式是在離線仿真中最常用的微分方程算法，考慮到現(xiàn)在CPU性能大幅度的提高，也可應用在實時仿真中。

無人機仿真技術

數(shù)字仿真

數(shù)字仿真主要是通過建立無人機系統(tǒng)數(shù)學模型，通過仿真計算機實時解算來對無人機飛行軌跡和三軸姿態(tài)、速度、高度等飛行參數(shù)進行仿真，模擬無人機真實的飛行狀況。其工作原理和組成見圖1。

半實物仿真

（1）半實物仿真原理和組成

半實物仿真系統(tǒng)由實物（飛控計算機和舵機）和仿真平臺（無人機模型、傳感器仿真模塊）組成。在仿真過程中，飛控計算機主要進行控制律計算、接收遙控指令、控制舵機和發(fā)動機做出相應的響應，仿真計算機采集這些響應并進行無人機動力學解算，將解算出的數(shù)據傳輸?shù)絺鞲衅鞣抡婺K，飛控計算機根據傳感器仿真模塊提供的信息，解算出控制參數(shù)控制飛機穩(wěn)定飛行，同時將飛行參數(shù)下傳進行顯示和存貯，從而構成完整的閉環(huán)飛行系統(tǒng)。仿真系統(tǒng)組成和工作原理見圖3所示。

（2）半實物仿真實現(xiàn)

常規(guī)仿真

仿真系統(tǒng)主要由仿真軟件和仿真硬件組成。硬件主要由仿真計算機、接口卡（串口、D/A、ND卡齟成。軟件由無人機運動學和動力學模型解算軟件、傳感器仿真軟件、人機交互界面等組成。仿真計算機主要用于對無人機模型解算、接口通信及仿真結果的可視化處理、顯示和存儲等，GPS、高度、垂直陀螺、角速度等數(shù)據可以通過實時解算靶機的動力學和運動學模型而得到，磁航向的仿真數(shù)據可以通過將飛機航向根據解算相關公式和無人機機姿態(tài)修正而得到。顯示界面如圖4所示。

基于Matlab/Simulink仿真

MATLAB可以方便地通過Simulink對無人機運動進行建模和數(shù)字仿真。在MATLAB環(huán)境下利用其實時工具箱RTW，通過目標鏈接的方式和Simulink聯(lián)系在一起，通過單獨的實時內核方式驅動外部硬件設備，完成系統(tǒng)實時控制。xPC半實物仿真目標是MathWorks公司提供和發(fā)行的一個基于MATLAB/Real-Time Workshop體系框架的輔助產品，可以將PC計算機轉變?yōu)橐粋€實時系統(tǒng)，支持許多類型的UO設備，提供S-function作為Simulink功能模塊的擴展。xPC目標采用宿主機一目標機的技術途徑，其中宿主機擁有運行MATLAB/Simulink，用Simulink模塊圖來創(chuàng)建模型經進行非實時的仿真，用RTW代碼生成器和C編譯器來生成可執(zhí)行代碼;目標機執(zhí)行所生成的代碼，通過以太網或串口連接實現(xiàn)宿主機和目標機之間的通信。系統(tǒng)原理如5圖，仿真過程如圖6所示。

宿主機安裝了VC++和MATLAB系列軟件，用于系統(tǒng)分析、數(shù)字仿真和實時仿真時的數(shù)據采集與監(jiān)測;目標機安裝了用于實時仿真的xPC內核。宿主機和目標機之間按照TCP/IP協(xié)議通過以太網連接。目標機和飛控計算機之間的GPS、高度和航向等信息用串口通信，陀螺和角速率信息用D/A卡通信;目標機和舵機之間為ND卡通信。

物理仿真

將陀螺平臺、角速度陀螺和航向傳感器安裝在三軸轉臺上，仿真計算機通過解算輸出信號控制三軸轉臺按照無人機的飛行姿態(tài)進行三軸轉動，同時陀螺平臺、角速度陀螺和航向傳感器輸出信號到飛控計算機，飛控計算機將控制信號反饋給仿真計算機完成閉環(huán)控制。仿真原理見圖7，仿真曲線見圖8。

結束語

通過建立無人機運動學和動力學模型，分析了十二階微分方程的數(shù)值解算方法，研究了數(shù)字仿真、半實物仿真和物理仿真工作原理和實現(xiàn)方法，系統(tǒng)闡述了無人機模型數(shù)字解算和仿真方法，對無人機仿真具有一定的推廣應用價值。