一種基于線性化直升機數(shù)學模型的仿真系統(tǒng)

王小青，吳 平，包 健

（總參第六十研究所 江蘇 南京 210016）

飛行控制系統(tǒng)決定了無人直升機的飛行性能，隨著無人直升機性能的不斷提高及功能的日益增加，飛行控制系統(tǒng)越來越復雜[1-2]。某型半物理仿真系統(tǒng)是為配合飛行控制系統(tǒng)設計而開發(fā)的，主要為直升機飛行動力學模型的驗證與評估、飛行控制軟件的設計與驗證等提供強有力的技術支撐平臺。這對于提升飛行控制系統(tǒng)設計的效率、減少設計差錯、縮短設計周期及降低設計成本具有重要意義[3]。

1 仿真系統(tǒng)功能

某型半物理仿真系統(tǒng)的主要功能包括：

1）模擬無人直升機從起飛到降落整個飛行過程的全狀態(tài)，進行全包線仿真；

2）評估驗證直升機飛行動力學模型的準確性；

3）模擬無人直升機各個傳感系統(tǒng)的報文和動態(tài)特性；

4）可接入飛行控制計算機實物、舵機系統(tǒng)和地面站實物（除去電臺部分），進行半物理仿真實驗。

2 仿真系統(tǒng)結構

根據(jù)無人直升機仿真模型獲取方式不同，某型半物理仿真系統(tǒng)如圖1、圖2所示，形成了兩種半物理仿真系統(tǒng)結構。

2.1 采用外部模型機的FlightLab直升機模型

圖1 采用外部FlightLab直升機模型的仿真系統(tǒng)Fig.1 Simulation system with external helicopter model by FlightLab

如圖1所示，該仿真系統(tǒng)由仿真測試設備、模型計算機、舵回路和飛控計算機等組成。其中，與仿真測試設備相配合的還有仿真控制臺，與飛控計算機相配合的還有地面站測控軟件。

1）仿真測試設備：運行仿真軟件，其中主要包括傳感器信息模擬軟件、舵機信息模擬軟件、多功能板信息模擬軟件。各個模擬軟件之間采用共享內(nèi)存的方式進行信息交互。主要功能包括：①舵控指令接收解算并轉換成4個操縱量作為模型輸入信息；②直升機模型接收操縱指令，解算得到飛行狀態(tài)信息作為傳感器輸入數(shù)據(jù)信息；③模擬傳感系統(tǒng)的報文和動態(tài)特性；④和飛控計算機之間進行網(wǎng)絡通信；⑤和模型機之間進行網(wǎng)絡通信。

2）模型計算機：運行無人直升機FlightLab仿真模型[4]；接收控制輸入，并解算得到無人直升機實時狀態(tài)數(shù)據(jù)。

3）舵回路：舵機可接實物舵機，也可直接通過仿真測試設備中的舵機信息模擬軟件進行模擬。

4）飛控計算機：運行飛行控制軟件，接收傳感器狀態(tài)信息以及遙控信息，根據(jù)無人直升機當前的飛行狀態(tài)以及操縱指令解算得到舵機控制指令[5-6]。

5）仿真控制臺：運行仿真界面程序，可接受用戶界面輸入信息，主要實現(xiàn)模型狀態(tài)量的曲線顯示功能，以及各種傳感器故障類型仿真、模型運行與重載控制等功能。

6）地面測控計算機：運行地面測控軟件，用于對飛行控制計算機發(fā)送遙控指令，控制無人直升機的飛行模態(tài)，并接收飛行控制計算機的下行數(shù)據(jù)，顯示、記錄無人直升機飛行過程和任務設備運行狀態(tài)。

2.2 采用仿真測試設備內(nèi)部的線性化模型

如圖2所示，該仿真系統(tǒng)由仿真測試設備、飛控計算機和地面站測控軟件等組成。其中，仿真測試設備中除了運行傳感器信息模擬軟件、舵機信息模擬軟件、多功能板信息模擬軟件，還將運行線性化直升機數(shù)學模型模擬軟件。相比于2.1節(jié)所述的半物理仿真系統(tǒng)，該系統(tǒng)平臺搭建簡單且攜帶方便。但是，受到線性化直升機數(shù)學模型的精度限制，該系統(tǒng)僅適用于對仿真精度不高的情況。

圖2 采用仿真測試設備內(nèi)部線性化模型的仿真系統(tǒng)Fig.2 Simulation system with internal helicopter model by test-device

3 線性化直升機模型

當進行飛控軟件邏輯仿真或者其他對模型精度要求不高的仿真時，常采用仿真機內(nèi)部的直升機線性模型。其主要優(yōu)勢在于便于快速搭建仿真平臺，易于攜帶（不需要再攜帶模型機），特別是大大方便在外場調(diào)試過程中的仿真工作。

線性化直升機模型主要實現(xiàn)以下功能：接收飛控計算機解算出的控制輸入數(shù)據(jù)；實時運行仿真模型；最后將模型解算得到直升機的相關狀態(tài)數(shù)據(jù)反饋給飛控計算機。線性化直升機模型仿真模塊的輸入輸出關系如圖3所示。

圖3 線性化直升機模型輸入輸出關系Fig.3 Relationship between input and output of helicopter's linear model

圖4 直升機機體坐標系Fig.4 Body axis of helicopter

被控對象數(shù)學模型建立于機體坐標系，如圖4所示。

采用狀態(tài)空間表達式形式描述，給定被控對象的數(shù)學模型為：x˙=Ax+Bu

其中，狀態(tài) x=[VxVyVzωxωyωzγ ψ ?]T，分別表示直升機縱向速度、垂向速度、橫向速度、滾轉角速度、偏航角速度、俯仰角速度、滾轉角、偏航角和俯仰角；控制輸入u=[φ7A1B1φT]T，分別表示旋翼總距、橫向周期變距、縱向周期變距和尾槳總距。

狀態(tài)矩陣A和控制矩陣B通過FlightLab計算得到，且隨著無人直升機飛行狀態(tài)的不同而改變。具體計算過程如下：

1）在FlightLab開發(fā)環(huán)境下，分別對主旋翼、尾槳、機身、平尾、垂尾、發(fā)動機和飛控系統(tǒng)等部件進行建模，并最終綜合成一個完整的無人直升機模型；

2）給定一個穩(wěn)定的飛行狀態(tài)，通過FlightLab進行模型的線性化和配平計算；

3）通過 FlightLab 計算，分別得到 0 m/s、3 m/s、9 m/s、15 m/s、20 m/s、25 m/s、30 m/s、35 m/s、40 m/s、45 m/s 等穩(wěn)定飛行狀態(tài)下的A、B矩陣。

4 仿真過程及結果

基于線性化直升機模型的直升機仿真過程如下：

1）啟動各個傳感器、舵機、多功能板仿真程序；

2）啟動線性化直升機模型仿真程序；

3）啟動飛行控制軟件程序；

4）通過測控軟件，發(fā)送飛行控制指令，開始飛行仿真；

5）通過測控軟件，顯示、記錄仿真過程參數(shù)；

6）對飛行仿真結果進行參數(shù)分析。

以航線飛行仿真為例，其仿真結果如圖5～7所示。

圖5 航線飛行軌跡Fig.5 Track of route fly

圖6 航線飛行高度曲線Fig.6 Altitude curve of route fly

由仿真曲線可知，航線飛行高度100 m，高度控制精度能達到飛行高度的3%，飛行速度16 m/s，速度穩(wěn)態(tài)控制精度能達到±1 m/s。

圖7 航線飛行速度曲線Fig.7 Velocity curve of route fly

5 結 論

該仿真系統(tǒng)的建立為無人直升機設計和控制策略的研究提供了試驗平臺，且方便攜帶和實際使用操作。實踐表明，這套仿真系統(tǒng)可以非常有效地驗證飛行控制系統(tǒng)的控制邏輯，直觀地驗證飛行控制系統(tǒng)控制效果的優(yōu)劣，為飛控系統(tǒng)的優(yōu)化設計和系統(tǒng)的性能評估等提供數(shù)據(jù)支持，具備了較好的工程應用價值。

[1]楊一棟.直升機飛行控制系統(tǒng)[M].北京:國防工業(yè)出版社，2007.

[2]文傳源.現(xiàn)代飛行控制系統(tǒng)[M].北京：北京航空航天大學出版社，1992.

[3]李石磊，梁加紅，劉欣添，等.直升機飛控系統(tǒng)集成仿真平臺開發(fā)[J].計算機仿真，2010，27（3）:64-68.LI Shi-lei，LIANG Jia-hong，LIU Xin-tian，et al.Integrated simulation platform for helicopter flight control system[J].Computer Simulation，2010，27（3）:64-68.

[4]He Chengjian.FLIGHTLAB theory manual[R].USA，Mountain View CA:Advanced Rotorcraft Technology Inc，2004.

[5]施曉穎，褚雙雙.基于VxWorks與RTW Embedded Coder的無人直升機機載飛控軟件系統(tǒng)開發(fā)[J].電子設計工程，2012，20（4）:22-26.SHI Xiao-ying，CHU Shuang-shuang.Design of a flight controlsoftwaresystem basedonVxWorksandRTW Embedded Coder[J].Electronic Design Engineering，2012，20（4）:22-26.

[6]楊娟.飛行控制軟件的實時性測試[J].微計算機信息，2011，27（7）：89-91.YANG Juan.The real-time testing of flight control software[J].Microcomputer Information，2011，27（7）:89-91.