基于MATLAB的无人机飞行控制系统设计与仿真

第４期　２０１０年１２月　电光系统　Ｎｏ．４　Ｄｅｃ．２０１０　Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ　ａｎｄ　Ｅｌｅｃｔｒｏ—ｏｐｔｉｃａｌ　Ｓｙｓｔｅｍｓ　基于ＭＡＴＬＡＢ的无人机飞行控制系统设计与仿真　薛明旭　中国电子科技集团公司第二十七研究所，郑州４５００４７　摘要：文章以ＭＡＴＬＡＢ软件为基础，介绍了无人机飞行控制与仿真系统一体化设计方法。该设计方法　能够完成无人机气动数据分析、非线性模型的建立、控制律设计以及整个控制系统的数字仿真。经过实际　应用表明，该方法能降低飞控系统设计成本，缩短设计周期。　关键词：飞行控制；ＭＡＴＬＡＢ软件；飞行仿真；无人机　中图分类号：ＴＰ３９１．９　文献标识码：Ａ　Ｄｅｓｉｇｎ　ａｎｄ　Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｏｆ　ＵＡＶ　Ｆｌｉｇｈｔ　Ｃｏｎｔｒｏｌ　Ｓｙｓｔｅｍ　Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ＭＡＴＬＡＢ　ＸＵＥ　Ｍｉｎｇ－ＸＵ　（Ｔｈｅ　２７ｔｈ　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｏｆ　Ｃｈｉｎａ　Ｅｌｅｅｔｒｏｎｉｅｓ　ＴｅｃｈｎｏｌＯ　Ｇｒｏｕｐ　Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ，Ｚｈｅｎｇｚｈｏｕ　４５００４７，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｏｎ　ｔｈｅ　ｂａｓｉｓ　ｏｆ　ＭＡＴＬＡＢ，ｔｈｅ　ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ　ｄｅｓｉｇｎ　ｍｅｔｈｏｄ　ｆｏｒ　ＵＡＶ　ｆｌｉｇｈｔ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ａｎｄ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｉｓ　ｉｎｔｒｏ．　ｄｕｃｅｄ　ｉｎ　ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ．Ｔｈｉｓ　ｍｅｔｈｏｄ　ｃａｄ　ｂｅ　ｕｓｅｄ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　ａｅｒｏｄｙｎａｍｉｃ　ｄａｔａ，ｎｏｎｌｉｎｅａｒ　ｍｏｄｅｌ　ｂｕｉｌｄ－ｕｐ，　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｌａｗ　ｄｅｓｉｇｎ　ａｎｄ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｓｙｓｔｅｍｓ．Ｔｈｅ　ｍｅｔｈｏｄ　ｃａｎ　ｒｅｄｕｃｅ　ｄｅｓｉｇｎ　ｃｏｓｔｓ　ｆｏｒ　ｆｌｉｇｈｔ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｓｙｓ—　ｔｅｍ　ａｎｄ　ｓｈｏｒｔｅｎ　ｔｈｅ　ｄｅｓｉｇｎ　ｐｅｒｉｏｄ　ａｓ　ｈａｖｉｎｇ　ｂｅｅｎ　ｐｒｏｖｅｄ　ｉｎ　ｐｒａｃｔｉｃａｌ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：Ｆｌｉｇｈｔ　Ｃｏｎｔｒｏｌ；ＭＡＴＬＡＢ；Ｆｌｉｇｈｔ　Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ；ＵＡＶ　计以及整个控制系统的数字仿真。　１　引言　２飞控系统开发流程　飞行控制系统是无人机的关键子系统，其性　能的优劣不仅直接影响无人机的操纵品质和飞机　当前流行的飞控系统开发流程是基于模型的　的性能，还关系到无人机的飞行安全。在现代无　开发流程，该流程的具体步骤是：系统建模／算法　人机飞行控制系统的开发过程中，控制系统性能　开发、数学仿真、实时验证（快速原型和硬件在回　要求越来越高，控制方案越来越复杂，而开发、测　路仿真）、嵌入式代码生成和系统开发。图１为基　试和验证方案的时问却要求越来越短。为了提高　于模型的开发流程示意图。　开发效率和降低成本，一些先进的控制系统设计　所有控制策略与无人机仿真模型都是利用框　与仿真一体化设计平台被越来越多的应用于无人　图化的基本模块建立起来的。采用自动代码生成　机飞行控制系统的开发。从而更有效的确认飞行　技术把框图模型直接生成可执行的代码，在专门　控制系统的参数，通过数字仿真实验来验证控制　设计的硬件平台上对控制功能及无人机进行仿　律的正确性和可靠性。　真。同时模型化的控制算法也可直接生成目标代　本文以ＭＡＴＬＡＢ软件为基础，构建了无人机　码下载到诸如ＤＳＰ的飞控硬件开发平台上。　飞行控制与仿真系统一体化没计平台，该设计方　本文只对整个飞行控制系统设计流程中的数　法能够完成无人机非线性模型的建立、控制律设　字仿真部分进行了阐述。　作者简介：薛明旭（１９８１一），男，工程师，毕业于西北工业大学，研究方向：飞行控制。　总第１３４期　薛明旭：基于ＭＡＴＬＡＢ的无人机飞行控制系统设计与仿真　４１　图１　基于模型的开发流程　３数学建模与仿真　３．１数据分析　在设计初期，无人机的气动模型的建模数据　主要来自于ＣＦＤ计算和风洞试验，这些数据都是　以大量的表格形式存在的，通过ＭＡＴＬＡＢ编写处　理程序　ｊ，可以很方便的将这些数据转化为可用　的建模数据，直接用于无人机气动模型的搭建。　图２即为利用ＭＡＴＬＡＢ编写的风洞数据处理程序　界面，通过该工具可以很清晰的对各种状态下的　气动参数关系建立所需的表格，并以图形的形式　表示出来，便于直观的对这些风洞数据进行分析　和处理。　图２数据处理界面　３．２无人机动力学建模　在进行无人机飞控系统设计和进行飞行仿真　之前，首先要根据所研究的对象建立准确的数学　模型。为准确模拟无人机的特性，应建立无人机　的六自由度全量运动方程。若把无人机看成一个　刚体，则它在空间的运动可以看作是质心的移动　和绕质心转动的合成运动。质心的运动取决于作　用在无人机上的力，绕质心的转动则取决于作用　在无人机上相对于质心的力矩。在进行系统建模　时，应尽量采用模块化原则，为仿真模型的建立提　供良好的依据，一般遵循以下步骤：　ａ）参数变量定义。在建立数学模型之前，必　须制定或遵守一定的变量命名规则，以防止变量　名冲突混淆。在本文中我们以文献［２］中的定义　来进行变量命名；　ｂ）坐标系定义。在建立数学模型时，为方便　建模，往往在不同的坐标系下对系统状态进行描　述。对于坐标系的定义，因习惯而有所不同，在本　文中遵照文献［３］中的规定；　ｃ）作用力和力矩建模。在飞行中，作用在无　人机上的力主要有：空气动力、发动机的推力、控　制力及重力。其中气动力和力矩是对无人机飞行　影响最大，同时也是最复杂的作用力。因此其建　模也最为困难，在工程中常依据仿真的精度要求　而采用各种简化模型；　ｄ）环境建模。环境建模中主要包括标准大　气模型（压力、温度、密度、声速模型），风模型（湍　流、风速及力矩模型），地球模型（经纬度、高度、重　力加速度模型）。其中标准大气模型可以遵照　ＭＩＬ—ＨＤＢＫ一３１０和ＭＩＬ—ＳＴＤ一２１０Ｃ规范定义　的大气模型；地球模型可以遵照１９８４年全球测地　系统重力模型（ＷＧＳ１９８４）和ＷＭＭ２０００地球磁场　模型；　ｅ）质量特性建模。无人机在飞行中，其质量　是不断变化的，由此导致重心位置的改变，进而影　响到无人机的飞行动力特性。无人机质量特性模　型主要包括无人机的质量、转动惯量、重心位置模　型；　ｆ）动力学和运动学建模。动力学和运动学模　型一般采用非线性微分方程组，在确定了坐标系　后即可确定【４　Ｊ。在无人机姿态确定时采用四元数　建模以避免解算中出现奇点。通用的动力学和运　动学方程虽然能够描述完整的无人机运动，但是　相对比较复杂，在工程中常常根据无人机特定的　运动状态进行适当的简化。　各模型的关系如图３所示。　图３无人机飞行动力学建模　４２　电光系统　第４期　在建立了无人机动力学模型后，采用ＭＡＴ－　ＬＡＢ／ＳＩＭＵＬＩＮＫ构建仿真模型库，根据不同设计　阶段的研究内容，建立不同的对象模型。　３．３控制系统设计　前一节对无人机的描述采用非线性微分方程　组，为了利用各种线性控制方法，需要对非线性运　动方程组进行合理的简化处理使其线性。对于飞　行控制系统，通常采用小扰动方法进行模型的线　性化处理。　小扰动方法的原理为：当研究一个非线性系　统在某一稳定平衡点附近的微小运动状态时，原　来的系统可以充分精确地用一个线性系统加以近　似　ｊ。小扰动或者小偏差方程可以根据具体的描　述公式进行计算，在ＭＡＴＬＡＢ里通过编写相应的　计算函数来得到线性化模型。在开展控制律设计　之前可以对其进行时域和频域的特性分析。　对某型无人机在平飞速度２３　ｍ／ｓ，高度２００　１３１　状态进行线性化处理，得到其俯仰角对升降舵传　递函数为：　ｆ　）　一２　８２３ｆ　＋３．６９６）（　＋【）．３１２１　（ｓ）～（ｓ。＋Ｑ　２３４ｓ十Ｑ　３６８５）（ｓ。＋８．８６９ｓ＋１２１．７）　该传递函数的根轨迹图为：　≥一誊　Ｉ。　≤　－　图４俯仰角对升降舵传递函数根轨迹图　对该传递函数进行频域分析：　从图５中可以看出该型无人机俯仰角通道的　幅值裕度２．３　ｄＢ，相角裕度为２６．６。，具有一定的　稳定性。　在得到系统的线性化模型后，可以进行控制　律的初始设计。对于控制律设计，其设计方法种　类较多，但是在常规的无人机飞行控制律设计中　最常用的是ＰＩＤ控制，针对此编写了ＰＩＤ控制器　的辅助设计工具，其界面如图６所示。通过输入　相应的传递函数，可以很方便的得到其时域和频　图５俯仰角对升降舵传递函数ＢＯＤＥ图　域特性。通过初步的计算可以得到初始的ＰＩＤ控　制器的参数值，为下一步的数字仿真提供依据。　圈６　ＰＩＤ控制器设计界面　３．４数字仿真　当初步的控制器没计好后，可以进行无人机　的６自由度非线性数字仿真，检验控制模型的效　果并对对控制器进行优化。图７为数字仿真模　型，在该模型中包含了无人机的运动模块、无人机　控制与导航模块、传感器模块，构成了一个完整的　无人机控制回路。　幽　图７无人机数字仿真ＳＩＭＵＬＩＮＫ模型　第１３４期　薛明旭：基于ＭＡＴＬＡＢ的无人机飞行控制系统设计与仿真　４３　在实际设计中无人机飞行控制系统被划分为　不同的状态，如对纵向有平飞、爬升、俯冲等状态，　航向有航向跟踪、航迹控制，横向有左盘、右盘、横　在该模型中，将飞行控制过程划分为纵向通　道控制、航向通道控制、横向通道控制及发动机控　制四个并行的状态，每个控制通道再划分成若干　个互斥的状态。　平等状态，发动机有大车、小车等状态。为了完整　的模拟无人机的自主飞行过程，采用ＳＩＭＵＬＩＮＫ　中的ＳＴＡＴＥＦＬＯＷ对飞控系统各种状态进行建　模，充分利用状态机机制满足飞控中不同指令的　调度和管理¨　。　图９为模拟航线飞行的仿真结果，图中带标　号的点为预设航线点，曲线为无人机对航线的跟　踪结果　４结束语　本文提出的无人机飞行控制系统设计与仿真　方法均基于ＭＡＴＬＡＢ，在无人机飞行控制系统设　计中，涉及到空气动力学、飞行力学、自动控制、系　统仿真等专业。该方法已经得到应用，仿真结果　与实际飞行的结果吻合，能够满足系统设计需要。　本文中所列举的例子均为固定翼无人机，通过扩　图８　ＳＴＡＴＥＦＬＯＷ的飞行状态控制模型　一　展也适用于无人直升机、无人飞艇等飞行器飞行　控制系统的开发。　参考文献　１　［１］ＭＡＴＬＡＢ　Ｕｓｅｒ’ｓ　Ｇｕｉｄｅ［Ｋ］．Ｔｈｅ　ＭａｔｈＷｏｒｋｓ，Ｉｎｃ．　２Ｏｏ５．　［２］ＧＢ／Ｔ　１４４１０．２—１９９３．飞行力学概念、量和符号力、力　（　Ｉ　ｊ　矩及其系数和导数『ｓ］．　［３］ＧＢ／Ｔ　１４４１０．１—１９９３．飞行力学概念、量和符号坐标　轴系和运动状态变量［ｓ］．　Ｊ　◆●◆　●－Ｉ◆◆●●　／　／　◆Ｉ◆◆Ｉ◆ｉ１ｌ．●Ｉ●◆ｉ：１１１◆［４］何庆芝．飞机设计手册［Ｍ］．（第一册）．北京：航空工　业出版社．１９９６：２７６—２７７．　图９模拟航线飞行仿真结果　［５］ＲＯＢＥＲＴ　Ｃ．ＮＥＬＳＯＮ．飞行稳定与控制［Ｍ］．北京：国　防工业出版社２００８：１１０—１１３．　，◆Ｉ◆Ｏ－＂◆◆ｉ◆◆●ｈｉ，ｎ　ｉ◆◆　◆Ｉ●◆●ＦＩ．●］Ｉ１◆◆●Ｉ◆　◆●ｉ　ｉ（上接第６１页）　由上表结果可以看出，可剥阻镀漆作为遮蔽　层应用于局部硫酸阳极氧化着黑色，不仅具有可　行性且具有工艺操作简单的特点。良好的可剥离　表面导电部位和发黑处理部位颜色黑白分明。设　备交付使用单位后，我们跟踪检查发现设备的功　能层完好如初，发黑处理部位无发黑膜失色现象，　这充分的证明遮蔽层起到了局部保护又不影响局　部硫酸阳极氧化发黑处理的作用。　参考文献　性工艺最佳条件为：硫酸阳极氧化前基材表面处　理得当，遮蔽层厚度达到１５０　Ｉ，ｚｍ，遮蔽层固化完　全应９０￣（２烘烤干燥３５　ｍｉｎ。　４结束语　该课题设备采用以上方案进行局部导电、局　部硫酸阳极氧化发黑，腔体内表面有氧化膜部位　和无氧化膜部位交界整齐、清晰，着黑色处理后的　［１］许旋，林国辉，等．影响铝合金阳极氧化膜质量因素的　研究［Ｊ］．电镀与涂饰，２００５，２４（２）：７—１０．　［２］郑瑞庭．局部电镀件的绝缘［Ｊ］．电镀与涂饰，２００２，２１　（３）：５９—６１．　［３］叶扬祥，潘肇基．涂装技术使用手册［Ｍ］．第二版．北　京：机械工业出版社，２００３．