無(wú)人機(jī)建模與仿真技術(shù)

呂曉林

無(wú)人機(jī)在地空武器系統(tǒng)的模擬演練和兵力推演過(guò)程中，扮演中重要的角色，在現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。通過(guò)建立無(wú)人機(jī)運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)模型，分析了歐拉法及改進(jìn)歐拉法、龍格——庫(kù)塔法（四階）、Admas預(yù)報(bào)—校正方法等數(shù)值解算方法和它們的優(yōu)缺點(diǎn)，研究了數(shù)字仿真、半實(shí)物仿真和物理仿真工作原理、系統(tǒng)組成和實(shí)現(xiàn)方法，對(duì)無(wú)人機(jī)建模和仿真進(jìn)行了系統(tǒng)闡述，具有—定的借鑒意義和推廣應(yīng)用價(jià)值。

在地空武器系統(tǒng)地面模擬演練過(guò)程中，無(wú)人機(jī)扮演著藍(lán)軍的角色;在事關(guān)戰(zhàn)爭(zhēng)勝負(fù)的兵力推演中，無(wú)人機(jī)充當(dāng)了空中來(lái)襲敵方，無(wú)人機(jī)能否逼真地模擬敵方，其建模與仿真是關(guān)鍵，因此有必要對(duì)無(wú)人機(jī)系統(tǒng)建模和仿真進(jìn)行系統(tǒng)闡述。

無(wú)人機(jī)建模

無(wú)人機(jī)的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)模型

常規(guī)氣動(dòng)外形的無(wú)人機(jī)運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)數(shù)學(xué)模型是十二階非線性微分方程組（T-T體系）。當(dāng)存在定值風(fēng)擾動(dòng)W時(shí)，此時(shí)無(wú)人機(jī)的地速V與空速U有以下的關(guān)系，即V=U+W，假設(shè)V、U、W在T-T體系中的各自的分量分別為：

四階龍格——庫(kù)塔公式是在離線仿真中最常用的微分方程算法，考慮到現(xiàn)在CPU性能大幅度的提高，也可應(yīng)用在實(shí)時(shí)仿真中。

無(wú)人機(jī)仿真技術(shù)

數(shù)字仿真

數(shù)字仿真主要是通過(guò)建立無(wú)人機(jī)系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，通過(guò)仿真計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)解算來(lái)對(duì)無(wú)人機(jī)飛行軌跡和三軸姿態(tài)、速度、高度等飛行參數(shù)進(jìn)行仿真，模擬無(wú)人機(jī)真實(shí)的飛行狀況。其工作原理和組成見(jiàn)圖1。

半實(shí)物仿真

（1）半實(shí)物仿真原理和組成

半實(shí)物仿真系統(tǒng)由實(shí)物（飛控計(jì)算機(jī)和舵機(jī)）和仿真平臺(tái)（無(wú)人機(jī)模型、傳感器仿真模塊）組成。在仿真過(guò)程中，飛控計(jì)算機(jī)主要進(jìn)行控制律計(jì)算、接收遙控指令、控制舵機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)做出相應(yīng)的響應(yīng)，仿真計(jì)算機(jī)采集這些響應(yīng)并進(jìn)行無(wú)人機(jī)動(dòng)力學(xué)解算，將解算出的數(shù)據(jù)傳輸?shù)絺鞲衅鞣抡婺K，飛控計(jì)算機(jī)根據(jù)傳感器仿真模塊提供的信息，解算出控制參數(shù)控制飛機(jī)穩(wěn)定飛行，同時(shí)將飛行參數(shù)下傳進(jìn)行顯示和存貯，從而構(gòu)成完整的閉環(huán)飛行系統(tǒng)。仿真系統(tǒng)組成和工作原理見(jiàn)圖3所示。

（2）半實(shí)物仿真實(shí)現(xiàn)

常規(guī)仿真

仿真系統(tǒng)主要由仿真軟件和仿真硬件組成。硬件主要由仿真計(jì)算機(jī)、接口卡（串口、D/A、ND卡齟成。軟件由無(wú)人機(jī)運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)模型解算軟件、傳感器仿真軟件、人機(jī)交互界面等組成。仿真計(jì)算機(jī)主要用于對(duì)無(wú)人機(jī)模型解算、接口通信及仿真結(jié)果的可視化處理、顯示和存儲(chǔ)等，GPS、高度、垂直陀螺、角速度等數(shù)據(jù)可以通過(guò)實(shí)時(shí)解算靶機(jī)的動(dòng)力學(xué)和運(yùn)動(dòng)學(xué)模型而得到，磁航向的仿真數(shù)據(jù)可以通過(guò)將飛機(jī)航向根據(jù)解算相關(guān)公式和無(wú)人機(jī)機(jī)姿態(tài)修正而得到。顯示界面如圖4所示。

基于Matlab/Simulink仿真

MATLAB可以方便地通過(guò)Simulink對(duì)無(wú)人機(jī)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行建模和數(shù)字仿真。在MATLAB環(huán)境下利用其實(shí)時(shí)工具箱RTW，通過(guò)目標(biāo)鏈接的方式和Simulink聯(lián)系在一起，通過(guò)單獨(dú)的實(shí)時(shí)內(nèi)核方式驅(qū)動(dòng)外部硬件設(shè)備，完成系統(tǒng)實(shí)時(shí)控制。xPC半實(shí)物仿真目標(biāo)是MathWorks公司提供和發(fā)行的一個(gè)基于MATLAB/Real-Time Workshop體系框架的輔助產(chǎn)品，可以將PC計(jì)算機(jī)轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€(gè)實(shí)時(shí)系統(tǒng)，支持許多類(lèi)型的UO設(shè)備，提供S-function作為Simulink功能模塊的擴(kuò)展。xPC目標(biāo)采用宿主機(jī)一目標(biāo)機(jī)的技術(shù)途徑，其中宿主機(jī)擁有運(yùn)行MATLAB/Simulink，用Simulink模塊圖來(lái)創(chuàng)建模型經(jīng)進(jìn)行非實(shí)時(shí)的仿真，用RTW代碼生成器和C編譯器來(lái)生成可執(zhí)行代碼;目標(biāo)機(jī)執(zhí)行所生成的代碼，通過(guò)以太網(wǎng)或串口連接實(shí)現(xiàn)宿主機(jī)和目標(biāo)機(jī)之間的通信。系統(tǒng)原理如5圖，仿真過(guò)程如圖6所示。

宿主機(jī)安裝了VC++和MATLAB系列軟件，用于系統(tǒng)分析、數(shù)字仿真和實(shí)時(shí)仿真時(shí)的數(shù)據(jù)采集與監(jiān)測(cè);目標(biāo)機(jī)安裝了用于實(shí)時(shí)仿真的xPC內(nèi)核。宿主機(jī)和目標(biāo)機(jī)之間按照TCP/IP協(xié)議通過(guò)以太網(wǎng)連接。目標(biāo)機(jī)和飛控計(jì)算機(jī)之間的GPS、高度和航向等信息用串口通信，陀螺和角速率信息用D/A卡通信;目標(biāo)機(jī)和舵機(jī)之間為ND卡通信。

物理仿真

將陀螺平臺(tái)、角速度陀螺和航向傳感器安裝在三軸轉(zhuǎn)臺(tái)上，仿真計(jì)算機(jī)通過(guò)解算輸出信號(hào)控制三軸轉(zhuǎn)臺(tái)按照無(wú)人機(jī)的飛行姿態(tài)進(jìn)行三軸轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)陀螺平臺(tái)、角速度陀螺和航向傳感器輸出信號(hào)到飛控計(jì)算機(jī)，飛控計(jì)算機(jī)將控制信號(hào)反饋給仿真計(jì)算機(jī)完成閉環(huán)控制。仿真原理見(jiàn)圖7，仿真曲線見(jiàn)圖8。

結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)建立無(wú)人機(jī)運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)模型，分析了十二階微分方程的數(shù)值解算方法，研究了數(shù)字仿真、半實(shí)物仿真和物理仿真工作原理和實(shí)現(xiàn)方法，系統(tǒng)闡述了無(wú)人機(jī)模型數(shù)字解算和仿真方法，對(duì)無(wú)人機(jī)仿真具有一定的推廣應(yīng)用價(jià)值。