基于MATLAB的无人机六自由度仿真与研究.pdf
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1、第 4期 (总第 161期)2010 年 8 月机 械 工 程 与 自 动 化MECHANICALENGINEERING&AUTOMATIONNo. 4Aug.文章编号: 1672-6413(2010) 04-0032-03基于 MATLAB 的无人机六自由度仿真与研究何湘智, 王荣春, 周伟(北京航空工程技术研究中心, 北京100076)摘要:针对某无人机进行了飞机运动方程的建模与仿真研究。 建立了飞机六自由度非线性飞行运动学和动力学模型, 在 MATLAB 软件环境下建立了数学仿真模型, 并进行了线性化处理。以无人机纵向运动为例, 分析运动模态, 为下一步控制系统的设计提供了工程依据。关键
2、词: 无人机; 六自由度; 仿真中图分类号: V279文献标识码: A收稿日期: 2010-03-09作者简介: 何湘智(1978-), 男, 湖南衡山人, 工程师, 硕士, 主要研究领域为飞行控制。0引言随着航空和电子技术的发展, 无人机也发生了日新月异的变化, 其飞行功能日益增多, 使飞行控制系统变得越来越复杂(包括硬件和软件), 出现故障隐患的可能性越来越大。因此,为了保证无人机可靠、有效地执行飞行任务, 需要进行大量的控制律设计、仿真与验证工作, 而 MATLAB平台为此提供了良好的技术基础。1模型的建立把气动布局、结构参数和发动机性能已经确定的无人机作为被控对象,设计一个能完成自主飞
3、行任务的控制器是飞行控制系统研制的任务, 而在飞行控制系统的仿真试验中则需以数学模型代替实物完成系统的闭环控制,因此无人机飞行动力学特性的数学模型成了整个控制律设计工作中最重要的部分。无人机的数学模型可采用式(1) 所示的微分方程来描述, 其中状态量 x= Vt, A , B, U , H , 7 , p, q, r, Pe,Pn, h, Vt、A 、B、U 、H 、7 、p、q、r、Pe、Pn、h 分别表示无人机的真空速、迎角、侧滑角、滚转角、俯仰角、偏航角、滚转角速率、俯仰角速率、偏航角速率、 纵向位移、 侧向位移、 高度; 控制量u= De, Da, Dr,EngT, De、 Da、 D
4、r、 Eng分别表示升降舵偏转、 副翼偏转、方向舵偏转和发动机油门给定; y 为输出量; t 为时间。x= f (t, x, u)y= g(t, x, u)。( 1)采用欧美坐标体制, 可以在如下的假设条件下, 对飞机的运动进行描述: 假设飞机为刚体, 略去飞机弹性的影响, 且质量为常数; 将地球视为惯性系统,忽略地球的自转和公转的影响, 即视地球为静止的; 忽略地球曲率, 即把地球看作平面的; 假设重力加速度不随飞行高度的变化而变化; 假设机体坐标中轴 OXB 和 OZB 轴处于对称平面内, 惯性积 Ixy和 Iyz等于零。根据刚体动力学可获得无人机机体坐标系下的 6个动力学方程:U= rV
5、- qW- gsinH +FxmV= - rU+ pW+ gsinU cosH +FymW= qU- pV+ gcosU cosH +Fzm。( 2)p=1IxIz- I2xz IzL+ Ixz( N- (Ix+ Iz- Iy)qp) + (I2z+ I2xz- IzIy) qrr=1IxIz- I2xz IxN+ Ixz( L+ (Ix+ Iz- Iy) qr)+ ( IxIy- I2x- I2xz)pqq=1Iy M- ( Iz- Ix)rp + Ixz( p2- r2) 。( 3)其中: U、 V、 W 分别为真空速 Vt在机体轴的 3个分量;Fx、 Fy、 Fz为外合力(包括空气动力和
6、发动机推力) 在机体轴的 3 个分量; L、 N 、 M 分别为滚转力矩、 偏航力矩、 俯仰力矩; m 为飞机质量; Ix、 Iy、 Iz分别为机体绕x、 y、 z 轴的转动惯量; Ixz为机体的惯性积。根据 Euler 关系以及机体坐标系与地面坐标系之间的坐标转换关系, 可获得无人机机体坐标系下的 6个运动学方程:U= p+ tanH (qsinU + rcosU )H= qcosU - rsinU7=1cosH(qsinU + rcosU )。( 4)pn= Ucos7 cosH + V(- sin7cosU + cos7 sinH sinU )+ W(sin7sinU + cos7sin
7、H cosU )pe= Usin7 cosH + V(cos7 cosU + sin7 sinH sinU )+ W(- cos7 sinU + sin7sinH cosU )h= UsinH - VcosH sinU - WcosH cosU。( 5)式 (2) 式 (5) 描述了无人机的六自由度模型,构成了无人机仿真过程中所需要的12个微分方程。 具体实施建模时, 则可在 MATLAB 环境下使用不同的建模方法构建上述对象模型。2MATLAB 建模MATLAB 下对象建模通常有两种实现方式:Simulink BlockSet 和 S- 函数。2. 1Simulink BlockSet 建模
8、MATLAB 6. 5 提供了航空宇航模块 AerospaceBlockset,它是用于在 Simulink 中进行航空航天飞行器建模、 集成与仿真的模块。 Aerospace Blockset 将航空航天领域通用的标准模块在 Simulink 环境下进行了集成, 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。它提供六自由度和三自由度模型库, 可以进行固定质量或者变质量系统模型的建模与仿真。在建模过程中主要使用图 1 所示的六自由度欧拉模型库( 6DOF (Euler Angles)。 六自由度欧拉模型的输入是作用在无人机上的合
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