先进无人机六自由度运动建模技术研究

第52卷第3期弹衡与创导学报431先进无人机六自由度运动建模技术研究’刘小雄,章卫国,黄宜军,李广文(西北工业大学自动化学院西安71072)【摘要」应用面向对象技禾和软件摸块化设计思想建立了通用的无人机飞行包线内六自由度运动非级性全盘高精度仿真模型库用四元数代替欧拉角建立无人机运动方程组可有效地解决无人机大忆度的姿态运动通过Mtalab仿X研究证明了该仿真模型库的重用性和可称性〔关健词〕无人机;六自由度模型;面向对象;棋块化[中圈分类号]v249[文曦标识码]AResearchofrModelingSix-Dergo-fFredomEquationsofAdvanede-eUAVLIUXi价石。略ZHANGW公g的HUANGY时unLlGuangwen(oCll馆eofAutomationNorthwes矛ternPOltyechaiealUnive成tyXian7lo072China)A怡t限tInthis阳卯rbyappl沂叱m目ulair幼tionadnojbec冈rientdercehtrqiuesixd馆r。卜of-fr以月omfullvair.blea耐onnlinearsimularionmdoelofUAV15estalbishedwhiehm叼el15highacuareyadnrleiabilityinnightenveol沁Expressi叱morionofUAVapplyi叱qautemioneaneffectivleyresol枕largeattitude伽rionofaireraftInt阮lighrofsimulationresul:irporvdetharthem记le15reliableadnreusingKe州公山unmanndeaerialvehieles;sixd馆ree-o-ffr以月ommdoel;oibec比irenr曰;nl司ular汕rion由度和绕质心的三个转动自由度组成应用四1引言元数方法建立的飞机运动学方程对任何参数都对于无人机本体其数学模型采用了体轴系不会退化提高了运算速度和精度全量六自由度方程考虑到无人机对地攻击任建立无人机全t运动达到90此时运动方程中会出方程时务中俯仰角可能以地面坐标系(为现奇异值点所以建模时采用四元数方法解决一。‘一翔)定义无人机相同时在充分考虑无人机的复杂程度飞机纵横向对于地面固定点的位置和的藕合以及无人机实际运动特性的条件下建立速度机体坐标系(二一。了无人机六自由度大范围全量运动的非线性方一z)定义飞机的姿态图程可以满足控制系统设计的仿真要求l中定义了仿真中用到的地面坐标系了从,y.又御L体坐标系()戈,2文中利用软件设计中的面向对象技术和模各坐标系和姿态角块化设计思想利用Mlalba强大的建模功能建在无人机飞行过程中图l机体坐标系立无人机六自由度非线性动力学仿真模型不影响仿真精度的条件下可以做如下合理假设:飞机是刚体不考虑其结构和弹性形变机体的重2无人机六自由度动力学模型心位置不变;不考虑地球的自转忽略地球的曲无人机在空间的运动由质心的三个移动自率即把地面看成平面假设重力加速度不随高度变化;发动机安装角为零其推力方向与机体坐标收稿日期:2005一01一31若金项目:教育部985(一期)资助作者简介:刘小雄(1973一)男陕西人博士研究生主要研究方向飞行控制与仿真计算机控制与冗余容借技术432弹债与制导学报2005年系的x轴一致在以上假设下基于四元数的无人机六自由无人侧异模块妇L动力学度运动方程由下述方程组(l)描述:模块夕=p/m一(Q/m)eosaco明+(Y/m)sina一gsin口舀=。一脚一(Y/mv)eosa一(Q/n;V)sina+图2无人机飞行控制系统棋块(g/V)eos口cos沪户=%+,+z+(g/v)eos气环媲模块口sin大了平无人移动力学棋块=J油+(J妇L城一J,)“,,摸方运块动程鱿=J户,+(J一J)转动动力学摸块从=J泌,+(J,一J)。。尸二发动御L模块今。‘(一。。、一。刃2一。。3)/2(一)3奋.二(。q。+。q:一%q:无)/2图人机动力学模块4()利用建立的仿真模型库构建无人机飞今:二(。,q。+.。,一。q:)/2心3二(。叼。+。,叮:一,a、:)/2行控制系统的仿真模型(5)利用ismulink模块搭建快速原型仿真模sin口=2(叼一,2+g。93)型还可以应用C语言的S函数建立动态链接tan沪=一2(、:、3一如。:)/(。若+试一峨一‘)tanr二一2(g:,3一g。g:)/(实际工程中、孟一叮f+库直接应用于口毛一‘)根功器模块和制导模块可以其中v:飞行速度;口渭:据能划分控制飞机攻角和侧滑角;根据系统的各项性能采用不同方法分别设计,屿。:为角速度在机体坐标系上的分量;妈本文只针对无人机的实际物理环节对无人机建甲y:分别为俯仰角滚转角和偏航角;m为飞机立可重复使用的通用的六自由度模块库为下一质t.Q丫Z尸:为飞机的阻力升力侧力和发步的控制器设计及大系统仿真建立可靠全量动机的推力;MM,M分别为滚转力矩偏航非线性时变的六自由度运动计算机仿真库力矩和俯仰力矩.J二J,J:为飞机绕三轴的惯矩.qoq,q:q::为四元数参数至此建立了刚4性无人机全量非线性时变的六自由度运动的无人机仿真模型库的建立学模型无人机仿真模型库包括大气环境模型数无人机动力学模型发动机推力模型341面向对象的模块化设计方法大气环境模块大气环境模块根据国际标准化大气层面向对象的模块化建模方法关键是根据系(ISA)模型建立其数学描述如下:统的功能和实际构成把实际系统划分为多个子一2167K系统每个子系统对应于一定的功能根据需要Zllsewe!tto“伙。‘沁,‘。‘,子系统还可以划分为更小的系统根据=P广件v󰀁卜脚()无人机,。‘3;。。*,P。(z八。)产“比h之3400运动的六自由度数学模型采用面向对象的模块化设计思想建立无人机仿真模型的方法是:石孟万。(l)t对无人机运动系统进行深人研究根据一从实际系统的构成和连接以及系统功能把整个户(r/t。)“伙一,飞行控制系统化分为P。r。0二h三3400一系列相对的子系统(t/)‘l伙如图2所示其中无人机空动力学模块又可化石孟万分为图3所示的各模块其中:g=981丙=28816哨=1403R=(2)287403L‘o0065P0=101块的功能分析以及各模块间的信息325户=l125各模7,传递和外部接口为音速(3)根据各对象建立系统仿真模型库要求根据以上方程组容易建立仿真框图用户也各对象具有模块性和重用性可以根据实际情况建立更简化的大气模型作为5卷第3期第2先进无人机六自由度运动建模技术研究刘小雄等433自己通用的库模块4。一k‘、一6,+k一。+k2无人机动力学模块唁母5万’a无人机动力学模型包括平移动力学模块转5输人信号为方波信号幅值为士10采样周动动力学模块运动学方程模块根据方程组利用实际的气动力系数函数建立相应的封装模块期为01仿真时间为405如图所示从仿真(O能快速跟踪输人指令信结果可知航迹角e无人机的一些物理特性例如机冀面积(S)号无超调上升时间为175攻角e口快速响应冀展长度(d)质量(m)一些初始化数据等高度h(t)s大约按每秒40m/的速度爬升作为用户的可变输人参数可封装在模型中同时可以编写C语言的S函数用来封装无人机运,,00j怪系统愉入信号。3。Z兔󰀃󰀄侧感…0-5抽出曲线件=二片一动学方程同样平移动力学模块和转动动力学模块可根据相同的原理进行仿真模块的建立43丁飞10!52025303540115u01之󰀃󰀄创琅:;}03rl甘。rl\\一一一门一介“闷r犷犷布言扁丈燕六井h摘出曲线曰}}}}厂一1舵机模块015愉出曲线舵机模块可根据实际情况和需要考虑系统中存在的非线性因素图建立的舵机模块0104是作者在仿真过程中󰀃󰀄感侧._0050一0(5}U806000O05010!R卜厂、」l一0一15)厂一!0152025303540矛15一200!0002哈0!”吃10!,202530飞540户/S图图445系统响应曲线4二阶舵机仿X模型由仿真结果可看出利用所建模型库进行的系统仿真响应和理论分析相一致发动机模块发动机推力模型用于计算飞机在某一飞行状态下的发动机的推力发动机推力模型输人的是飞机的高度飞行速度以及油门的偏角输出6结论本文建立的全童的非线性的时变的无人的是发动机的推力和绕机体轴的力矩机六自由度运动仿真模型库可方便的应用于无至此已建立了无人机仿真的模块它们与人机设计的各种仿真研究中例如在进行飞行控无人机系统中的真实对象一一对应从而缩小了制系统的设计时只须改变控制器的结构就可以应用不同的控制方法进行仿真验证仿真模型和真实系统的距离提高了仿真模型的tla可理解性通过Mab提供的方便的模型封装仿真结果表明本文所建的模型库真实的模拟了无人机的实际飞行运动满足了无人机自主飞行的设计方法极易建立具有友好界面和可重用性的仿真模块库在此基础上可进行模块的二次开发应用在使用过程中改变其中的子模块而不必修要求同时应用模块化设计的思想可以大大缩短程序开发和设计的时间便于模块的重复利用提高了效率改其它相应的模块这就是面向对象的基于模块化设计方法的优点5〔今l][袁子怀考文献〕有控飞行力学与计算机仿真【M〕北京仿真实验及分析利用所建无人机仿真模型对某型无人机进国防工业出版社21002〕张明廉【飞行控制系统【M〕北京航空工业出版行仿真试验研究杜1994以某型无人机飞行状态为例设计控制航迹3〕王麟【无人机任务设备/飞机综合控制的建模及仿角和控制法向加速度的控制器仿真无人机从起飞到爬高的过程X[J〕弹箭与制导学报2004由于被控对象中包含积分环4J〕飞行力学〔j郑涛无人机系统的仿真建模研究【节所以设计的控制器只采用了比例控制形式202.该控制器的控制律为:[5]SmulinkUsersG山delz〕rheaMrhWOrkS202:‘󰀅三阶一腕浏