浅析无人机仿真技术

无人机圈 2023年6月8日浏览：1737 收藏：2

一、

飞行仿真技术简介

系统仿真，是将被研究的对象按其特征抽象成模型，通过对模型的仿真操作及仿真结果的分析，探讨和推断对象本身所具有的性质及其运动变化规律的一门综合性学科。当今世界，随着军事和科学技术的迅猛发展，仿真已成为各种复杂系统研制工作的一种必不可少的手段，据统计，采用系统仿真后，可使靶弹、实弹减少6%—30%，研制费用节省10%—40%，研制周期缩短30%—40%，尤其是在航空航天领域，仿真技术已是飞行器和卫星运载工具研制的关键技术。

基于PC机的飞行仿真系统可围绕飞行器的研制、生产和使用的全部过程，包括对方案论证、技术指标确定、设计分析、生产制造、试验测试、维护训练和故障处理等各个阶段进行全面的系统分析和评估，具有成本低、见效快、安全可靠和可重复利用等显著优点。航空工业作为一门高科技、高投入、高风险的行业，不能没有科学可靠的系统仿真理论、仿真方法和仿真试验结果的支持。目前世界航空强国都建立有自己先进的飞行仿真系统实验室，飞行仿真成为现代仿真技术发展的一个重要分支。

无人机飞行仿真在很大程度上就是指飞行控制系统仿真，它是以无人机的运动情况为研究对象，面向对象的复杂系统仿真。它首先按照无人机的飞行运动学、空气动力学以及飞行控制原理等有关理论建立起相关的数学模型，然后以此模型为依托进行模拟仿真试验和分析研究。

图1 某型无人机飞行仿真

二、

飞行仿真的分类

飞行仿真根据仿真模型类型及其实现方式的不同，可以分为以下三大类：

（一）

数字仿真

数字仿真就是建立数学模型，编好程序，在计算机上反复运行试验。这种仿真试验无需昂贵的系统，也无需模拟生成真实环境的各种物理效应设备，而是用计算机来再现和评价真实世界的实物特性。选择合适的步长，可以实时运行，也可以非实时（欠实时或超实时）条件下运行。数字仿真尤其适用于研究开发初期的方案论证、设计阶段和半物理仿真试验前期的验证。

图2 数字仿真工作原理图

图3 用于研究开发初期方案论证的数字仿真

图4 基于数字仿真的试验数据记录

如上图所示，数字仿真通过想定研究科目，在计算机上设置飞机、目标、传感器、环境等外特性参数，经过多次仿真及参数调整，从而对想定科目进行论证。

（二）

半物理仿真

半物理仿真是将系统的部分实物（如控制系统的传感器、控制计算机、伺服机构）接入回路进行的试验。这种仿真试验的被控对象动态特性通过建立数学模型，编程序在计算机上实现，此外要求有相应的模拟生成传感器测量环境的各种物理效应设备。不同类型的传感器要求不同类型的生产环境，例如气压传感器要求有气压模拟装置，角度、角速度传感器要求有模拟转台等等。由于回路中接入实物，半物理仿真系统必须实时运行。

图5 半物理仿真过程图

图6 飞控在环部分的半物理仿真

（三）

人在回路中仿真

人在回路中房展是一种操作人员、飞行员、宇航员在系统回路中进行操纵的仿真试验。这种仿真试验要求有相应的形成人感觉环境的各种物理效应设备。而飞行器等被控对象的动态特性仍通过建立的数学模型在计算机上实现。这种仿真试验能对飞行器性能、回路中操作人员的技能和素质、或者整个人机系统作出评价。人在回路中的仿真也必须实时进行。

三、

无人机半物理仿真的基本组成

及原理

半物理仿真是包含控制器实物、执行机构或传感器等实物在内的实时系统仿真，加入实物可以进一步检验数学模型的正确性，准确调整系统参数和控制规律，同其他类型的仿真方法相比具有更高真实度的可能性，是仿真技术中置信度最高的一种方法。其主要由以下几部分组成：

（一）

仿真计算机

仿真计算机是运行和解算实体对象仿真模型和仿真环境程序的重要设备，是控制仿真系统的核心部分。它主要采用模块化和层次化的方法描述实体对象，以运行速率要求为基准分成不同的速率模块。如果一台仿真计算机无法满足实时性要求可以由多台计算机协调处理。

（二）

控制系统建模

上文说到，无人机飞行仿真在很大程度上就是指飞行控制系统仿真，将控制系统的运动规律抽象成数学方程的过程称为控制系统建模。一般来说，建模是控制系统定量研究的基础，是控制系统仿真研究的必经之路。在建模过程中，一般需要满足相似、精确和相关等要求。所谓相似，就是用数学模型代替物理系统，不可能达到使两者完全相等，只能要求两者的动态过程相似，即两个动态过程的状态变量和时间对应保持比例不变。要达到这一点数学模型的类型必须与控制系统的类型相对应，模型阶次必须与系统中包含的运动模态数对应，控制系统工作环境条件数学模型要与环境条件的类型相对应。在系统模型与控制系统相似的前提下还要做到精确，数学模型的数据必须精确的反映控制系统中的定量关系才能使数学模型和控制系统的动态过程相似。同一个控制系统处于不同的信息研究观点可以写出很多种数学模型，它们所包含的状态变量、复杂程度、内容包含学科面的宽和窄各不相同，控制系统建模服务于研究目的，建模前要明确研究目的，系统模型应该只保留与研究目的相关的成分。

（三）

物理效应设备

物理效应设备主要为半物理仿真提供模拟的物理环境，以复现仿真过程中的真实环境，根据仿真过程中物理量的数据情况分成两种实现方案，其中一种方案是根据已有的有效数据转换成模拟仿真中的物理量，已实现真实场景的复现；另一种方案是在缺少有效物理数据的情况下利用伺服控制回路得到相应的需求物理量。

（四）

接口设备

仿真计算机通过模型解算得到物理效应设备的驱动信号，该信号根据不同的需求选用合适的接口卡，通过接口卡的数据转换驱动物理效应设备，同时接口设备将实物系统的控制输入信号传给仿真计算机，形成了闭环控制。

图7 一种典型的无人机飞控系统半物理仿真平台原理框图

在上图所示的半物理仿真平台中，无人机动力学数学模型、发动机模型、大气环境模型、机载设备模型等在仿真计算机中进行数值解算，由仿真计算机的接口设备产生的驱动信号激励物理效应设备，从而复现各传感器的虚拟环境。仿真控制台控制着整个仿真平台的运行，包括初始参数设置、仿真平台运行管理和仿真数据的记录和保存。

四、

基于MATLAB/Simulink的

实时仿真

MATLAB作为一种功能强大的科学计算软件，已经得到广泛的应用。在模拟飞机运动时可以很方便的通过Simulink进行建模，然后进行数字仿真，这样就很容易的使开发人员从编写复杂的数学求解的代码中解脱出来。

图8 MATLAB仿真界面

浅析无人机仿真技术的图10

图9 基于MATLAB/Simulink的数字仿真

浅析无人机仿真技术的图11

图10 MATLAB半物理仿真避障实现

浅析无人机仿真技术的图12

图11 MATLAB半物理仿真避障实现

在MATLAB下实现硬件在回路实时仿真，一般可以通过两种渠道来完成，其一是在MATLAB环境中调用硬件系统关于接口的动态链接文件，使用硬件设备能够和基于Windows操作系统的MATLAB进行数据交换，然后在通过软件的编制将这些数据集成到Simulink中。第二种方式就是利用MATLAB的实时工具箱RTW进行硬件在回路仿真，通过目标链接的方式和Simulink联系在一起，通过单独的实时内核方式驱动外部硬件设备，完成系统实时控制。

对于第一种方式，理论上能够完成硬件在回路仿真的任务，而且目前大多数外部设备制造商都向客户提供其产品基于Windows平台的驱动程序，实现起来并不复杂，但是由于Windows操作系统任务执行频率并不高，并不能保证应用程序在实时情况下运行。对于像无人机飞控系统这样对实时性要求非常高的对象而言，能否达到控制效果是个问题。在这样的平台上进行实时仿真试验，如果试验效果不太理想，很难说明到底是因为算法结构或参数设计不当的原因，还是因为该平台实时性达不到要求的原因。

对于第二种方式，采用MATLAB的实时工具箱RTW实现控制任务，专用的实时内核代替Windows操作系统接管了实时控制任务，大大提高了系统的实时性，这种方式又分为单机型的Real-Time Windows Target方案和双机型的xPC Target方案。

（一）

MATLAB RTW系统概述

RTW（Real-Time Workshop）是该MATLAB软件的重要组成部分。RTW与MATLAB可以实现无缝连接，既满足了系统概念与方案设计等的需求，也为系统的技术实现或完成不同功能的系统实时操作试验提供了方便，并且为并行工程的实现创造了一个良好的环境。

RTW是MATLAB图形建模和仿真环境Simulink的一个重要的补充功能模块，简而言之，它是一个基于Simulink的代码自动生成环境。它能直接从Simulink的模型中产生优化的、可移植的和个性化的代码，并根据目标配置自动生成多种环境下的程序，利用它可加速仿真过程，提供知识产权保护，或生成在不同的快速原型化实时环境或产品目标下运行的程序，其特点如下：

（1）RTW支持连续时间、离散时间和混合时间系统，包括条件执行系统和非虚拟系统；

（2）RTW将Simulink外部模式的运行时监视器（Run-Time Monitor）与实时目标无缝集成在一起，提供极好的信号监视和参数调整界面；

（3）RTW支持S代码生成器，可用来生成事件驱动型系统的有限状态机代码。

RTW提供了一个实时的开发环境——从系统设计到硬件实现的直接途径。使用RTW进行实时硬件的设计测试，用户可以缩短开发周期，降低成本。RTW可以将模型自动转换为代码，在硬件上运行动态系统的模型，同时还支持基于模型的调试。RTW十分适用于加速仿真过程、快速原型化、形成完善的实时仿真解决途径和生成产品级嵌入式实时应用程序。

（二）

xPC Target方案

xPC半物理仿真目标是Math Works公司提供和发行的一个基于MATLAB RTW体系框架的辅助产品，可以将PC计算机转变为一个实时系统，支持许多类型的I/O设备，提供S-function作为Simulink功能模块的扩展。xPC目标采用宿主机——目标机的技术途径，其中宿主机拥有运行MATLAB/Simulink，用Simulink模块图来创建模型，经进行非实时仿真，用RTW代码生成器和C编译器来生成可执行代码，目标机执行所生成的代码，通过以太网或串口连接实现宿主机和目标机之间的通信。

图12 基于MATLAB/Simulink环境的xPC Target方案仿真系统原理图

在主机上运行MATLAB、Simulink、RTW、xPC Target和C编译器作为开发环境，可以生成实时应用程序运行在一台xPC Target实时内核的目标机上。xPC Target实时内核保证了运行在PC硬件上实时程序的稳定性。可以通过MATLAB、命令行或者用户主机的图形界面（GUI）、标准的网络浏览器或者目标机命令行来控制目标机上的程序的执行。在程序运行期间，可以交互的改变模型参数并且迅速获取、观察信号或者把它们保存起来做后续处理。通过目标GUI能直接观察目标机上的信号和状态信息，在目标机上运行xPC Target对已经安装在目标机上的任何软件不会产生影响，一旦重启了目标机，就可以恢复成为一台运行Windows、Linux或者其他计算机操作系统和应用软件的计算机。

无人机飞行仿真是验证无人机控制策略、故障诊断和优化航线等的主要方式，内容涉及无人机建模、仿真物理设备、仿真软件开发、仿真工程实现以及仿真置信度分析等多个方面，本文只是对飞行仿真做了一个简单的介绍，不足之处还请广大读者朋友批评指正。

主要参考文献

[1] 陈睿璟.无人机仿真技术研究与工程实现[D].南京.南京航空航天大学.2013.

[2] 翟彬.小型无人机飞控系统实时仿真技术研究[D].郑州.郑州大学.2007.

[3] 吕晓林.罗纯哲.无人机基于Matlab/Simulink仿真技术研究[A].宇航计测技术.2011(6):30-35.

文章来源：蜂巢无人系统