基于JSBsim的小型無人機(jī)飛行控制仿真系統(tǒng)

【摘 要】針對傳統(tǒng)飛機(jī)動力學(xué)模型通用性差、代碼執(zhí)行效率低的問題。綜合JSBSim、MATLAB軟件的優(yōu)點，提出基于某小型無人機(jī)的飛行仿真系統(tǒng)。新設(shè)計的系統(tǒng)具有通用性強(qiáng)、運(yùn)行速度快、易操作性、數(shù)據(jù)精度高、便于二次開發(fā)等優(yōu)點。

【關(guān)鍵詞】無人機(jī) 建模 JSBSim MATLAB 飛行控制

1 引言

常規(guī)的無人機(jī)建模通常是基于Matlab/Simulink的建模存在模型通用性差、開發(fā)效率低等問題。使用JSBSim建模時，只需重新配置XML格式的模型規(guī)格文件，就可以實現(xiàn)對不同機(jī)型的仿真，同時可以將研究集中在控制律設(shè)計。

由于JSBSim飛控模塊相對有限，無法實現(xiàn)某些控制算法。基于模塊化設(shè)計思想，分別利用JSBSim軟件建立了飛行動力學(xué)模塊、MATLAB軟件設(shè)計了飛行控制模塊，為飛行品質(zhì)的評估提供仿真平臺。

2 可視化飛行仿真系統(tǒng)設(shè)計

本文采用模塊化的設(shè)計思想完成了仿真平臺的搭建。由于飛機(jī)系統(tǒng)是一個非常復(fù)雜的系統(tǒng)，因而研制全新的仿真無人機(jī)系統(tǒng)將是一個非常復(fù)雜的過程。

首先，采用JSBSim軟件完成對某型無人機(jī)氣動力的建模；其次，采用MATLAB與C++混合編程技術(shù)，編寫C++MEX S函數(shù)模塊實現(xiàn)了對JSBSim軟件的調(diào)用和數(shù)據(jù)通信；再次，在MATLAB環(huán)境中設(shè)計有效的飛行控制系統(tǒng)。

3 基于JSBsim的無人機(jī)建模

JSBSim是一個開源的、支持多平臺的、由數(shù)據(jù)驅(qū)動的飛行動力學(xué)模型框架。由C++語言編寫，能夠支持各類型的航空器仿真模型。本文基于開放的JSBSim-XML標(biāo)準(zhǔn)，利用XML技術(shù)實現(xiàn)對運(yùn)輸機(jī)靈活的建模。

對于JSBsim的建模，其模型為xml的配置方式實現(xiàn)，可以用JSBSimCommander輔助對xml文件進(jìn)行配置，包括飛機(jī)外形、質(zhì)量、發(fā)動機(jī)參數(shù)、推進(jìn)系統(tǒng)、空氣動力系數(shù)等，完成模型的建立。

4 Simulink飛行仿真平臺搭建

在MATLAB/Simulink平臺下，通過編寫S函數(shù)運(yùn)行JSBSim程序，對飛行數(shù)據(jù)進(jìn)行解算，返回飛機(jī)狀態(tài)等參數(shù)。

本文在系統(tǒng)搭建過程中，使用編譯器編譯后生成MEX文件，成為MATLAB可調(diào)用的函數(shù)（動態(tài)鏈結(jié)子程序），實現(xiàn)JSBSim模型在Simulink中的直接調(diào)用。

5 飛行控制系統(tǒng)

由于JSBSim模型的飛行控制模塊功能有限，本文在Simulink下設(shè)計飛控系統(tǒng)。

無人機(jī)的飛行控制系統(tǒng)有俯仰、滾轉(zhuǎn)控制通道，設(shè)計飛行控制律時一般需要考慮各通道間的獨立性和關(guān)聯(lián)性。

在控制方法的設(shè)計中，把各航段的復(fù)雜飛行狀態(tài)分解為幾個基本的飛行任務(wù)。通過相對獨立的縱向控制通道和橫側(cè)向控制通道協(xié)調(diào)實現(xiàn)無人機(jī)的平飛、升降、轉(zhuǎn)彎等基本飛行任務(wù)。

5.1 無人機(jī)縱向控制律設(shè)計

縱向控制系統(tǒng)包含俯仰角的控制回路和高度控制回路。

在俯仰控制回路上，考慮采用高度控制結(jié)構(gòu)，通過設(shè)定高度和實際飛行高度h的差值經(jīng)過控制器輸出俯仰目標(biāo)角，再疊加一個副翼轉(zhuǎn)彎時的拉桿補(bǔ)償量，經(jīng)過合理限幅得到目標(biāo)俯仰角。俯仰角控制回路根據(jù)輸出控制量到副翼舵機(jī)，改變當(dāng)前的飛機(jī)俯仰角，采用PID控制器，通過對控制器參數(shù)調(diào)節(jié)可以獲得較好的高度控制響應(yīng)。

其中俯仰角控制回路還引入了內(nèi)環(huán)的俯仰角速率負(fù)反饋可以改善短周期阻尼。

5.2 無人機(jī)橫側(cè)向控制律設(shè)計

無人機(jī)的橫側(cè)向姿態(tài)穩(wěn)定和控制就是要保證高精度的偏航角ψ和滾轉(zhuǎn)角φ的穩(wěn)定與控制，可以完成平穩(wěn)的轉(zhuǎn)彎飛行。

無人機(jī)橫側(cè)向運(yùn)動控制有副翼和方向舵兩個控制回路。其中方向舵回路比較簡單，而副翼把滾轉(zhuǎn)角作為控制的內(nèi)回路，偏航控制為外回路。偏航控制也要通過調(diào)節(jié)副翼偏轉(zhuǎn)來實現(xiàn)滾轉(zhuǎn)角的變化，達(dá)到控制無人機(jī)側(cè)偏的目的。

滾轉(zhuǎn)角控制內(nèi)回路是滾轉(zhuǎn)角速率q的反饋回路，外回路是滾轉(zhuǎn)角φ的反饋回路。

方向舵的控制采用與副翼聯(lián)動的方式，則有，其中為聯(lián)動系數(shù)。通過調(diào)整兩個通道的控制信號實現(xiàn)協(xié)調(diào)轉(zhuǎn)彎。

6飛行仿真實現(xiàn)

仿真初始高度為2000m，給定航向角90度則仿真結(jié)果如圖1。

升降舵平穩(wěn)在某一恒定值，此時飛機(jī)有一定的仰角（平飛仰角）。橫側(cè)向控制部分主要有對滾轉(zhuǎn)角的控制和航向角控制，滾轉(zhuǎn)角保持響應(yīng)曲線，給定滾轉(zhuǎn)角8度。由仿真曲線可以看出無人機(jī)模型可以準(zhǔn)確快速的響應(yīng)，航向角穩(wěn)定在90度。

7結(jié)論

本文完成了某型無人機(jī)仿真系統(tǒng)的搭建，后臺程序JSBSim負(fù)責(zé)對飛機(jī)空氣動力特性進(jìn)行仿真，并將仿真數(shù)據(jù)的結(jié)果返回MATLAB處理環(huán)境中，在Simulink下實現(xiàn)了先進(jìn)控制律的設(shè)計。該仿真環(huán)境為無人機(jī)全過程飛行仿真的性能驗證提供了良好的集成環(huán)境。在此仿真環(huán)境中無人機(jī)的控制規(guī)律得到了驗證。

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