基于Matlab_FlighGe_省略_定翼无人机可视化飞行仿真系统设计
2014年23
期
随着航空和电子技术的发展，无人机也发生了日新月异的变化，其飞行功能日益增多，使飞行控制系统变得越来越复杂，出现故障隐患的可能性越来越大。为了保证无人机可靠、有效地执行飞行任务，而MATLAB 平台为此提供了良好的技术基础[1]。
在Matlab 中，可以方便地建立无人机非线性数学模型，建立无人机的六自由度非线性模型。它不仅在设计时可用来事先对系统的性能做出评价，以便修改或更新设计方案，调整系统某些设计参数，而且还可用来分析和研究已有系统的性能[2]。
FlightGear 飞行模拟器是一个开放源代码、多平台的飞行模拟器发展项目。经过多年的发展，FlightGear 不但以其强大的真实仿真功能吸引了众多的飞行模拟爱好者，而且其开放式的程序构架和预留的外部数据输入/输出接口，赢得了专业用户的青睐。由于FliahtGear 的上述优势，选择将FlightGear 经二次开发改造成无人机模拟器，以满足模拟无人机平台的需要。
1．仿真系统总体框架
图1飞行仿真系统框架图
本文在详细推导了小型固定翼无人机的动力学模型基础上，采用模块化的设计思想完成了空投系统仿真平台的搭建。具体模块划分如图1所示。
较为完整的可视化飞行仿真系统包括了航迹、姿态仿真和视景实时显示。其中航迹、姿态仿真模块计算得到的相关结果传送到FlighGear 驱动视景仿真模块，实现动态飞行数据的三维实时显示。从而，FlightGear 和上述动力学仿真系统组成了一个完整的可视化仿真系统。
2.飞行仿真系统建模
在无人机仿真系统中，针对一个已知其气动布局、机体的结构参数和飞机发动机参数的某型无人机，根据飞机实际飞行时的姿态，以及各个操纵机构的变化情况建立了相对应的非线性方程，由此实现对飞机飞行全过程的数学仿真。
由于运动中的飞行器是一个极其复杂的动力学系统，它的运动特性要受到各种因素的影响，因此，为了简化和推导运动方程，作以下基本假设：
（1）地球为平面大地，忽略地球的旋转运动和质心的曲线运动。（2）飞行器为理想刚体，不考虑机体弹性变形和旋转部件影响。2.1力与力矩分析
在上述假设下，可得到非线性六自由度控制方程并对其进行数值求解。方程中须用到有关气动力参数，由作为主要影响因素的飞行参数(马赫数、攻角等)，从大量的试验数据表中，通过插值，计算稳定轴上的气动系数，最后计算出机体轴上的气动力和力矩，输出到飞机六自由度运动模型模块。气动力主要依据气动压力和稳定轴上的气动力系数计算而来。
升力系数，阻力系数，侧力系数的计算公式分别为:
在机体坐标系x 、y 、z 轴上可将空气动力分解为三个分量，分别表示为：
同时，相应的空气动力矩表示为：
其中，ρ=1.293kg m 3为标准大气压下的大气密度，V 为无人机的飞行速率，S 为机翼面积，b 为翼展，c 为平均气动弦长，且c=S b 。而C x 、C y 、C z 、C l 、C m 、C n 是上述表达式中对应的空气动力系数。
2.2六自由度非线性模型
飞机的运动包括三个线运动(前后、上下、左右)和三个角运动(俯仰、偏航、滚转)。
根据无人机动力学可获得飞机机体坐标系下的线运动方程：
其中，F x 、F v 、F z 表示作用在无人机上的合力在机体坐标轴上的分量，u 、v 、w 表示速度矢量在机体坐标轴的分量。
同样，可获得飞机机体坐标系下的角运动矩阵方程：
其中，l x 、l v 、l z 分别为无人机的转动惯量在集体坐标系下的三个分量。
根据欧拉角的关系与角速率信号之间的角运动学转换矩阵易得：机体速度（u ，v ，w ）与地面坐标系下的速度分量（x e ，y e ，z e ）通过坐标转换得到：
基于Ｍａｔｌａｂ／ＦｌｉｇｈＧｅａｒ的某小型固定翼无人机可视化飞行仿真系统设计
陆鹏
（中航工业特种飞行器研究所湖北
荆门
448035）
【摘要】飞行仿真是小型固定翼无人机飞行控制系统研究中必不可少的一个环节。本文在Matlab 下建立了其仿真模型；同时借助FlightGear 模拟器外部数据的输入/输出接口，将飞行仿真数据驱动FlightGear 可视化引擎，实现飞行仿真中天气条件、飞行姿态和地理环境的三维可视化显示。实现对无人机的总体结构和飞行情况直观形象的显示。
【关键词】Matlab/Simulink;FlightGear;飞行仿真
;可
视化
◇科技论坛◇
上述12个公式是完整的欧美坐标系下12阶微分方程。u，v，w和F x、F v、F z分别是速度矢量和作用在飞机上的气动力的合外力沿机体坐标轴的分量。
3．Simulink仿真模型的实现
无人机的建模是研究无人机控制系统和其它以无人机为对象研究工作的基础，其关键是建立无人机的空间运动力学模型。同时需要空气动力学模块、发动机模块、以及制导模块等分系统模型的合并才能够完成整个的系统的仿真。采用模块化的仿真建模技术搭建了无人机模型。
输入数据包括：由飞行控制系统传来的舵面和油门控制指令；飞机的质量，重心位置及转动惯量；空气动力系数；发动机转速和推进系统解算出的推力等。
空气动力模块与力矩模块根据导航任务和控制律计算出的舵面位置来计算空气气动系数和相应的气动力与力矩；无人机六自由度运动方程模块用于解算无人机的六自由度的非线性运动方程，计算出飞机姿态，位置，角速度和加速度等状态信息，再把这些飞行状态信息实时反馈到空气动力模块和力矩模块，输出到无人机仿真模型的其它子模块。下面介绍主要模块功能及数学模型。
3.1空气动力模块
空气动力模块主要由气动力模块和力矩模块组成。作用于无人机体的空气动力和空气动力矩是外力和外力矩的最重要部分。空气动力是由升力、阻力和侧力的合力；气动力矩也可分解为俯仰力矩、滚转力矩和偏航力矩。空气动力和力矩模块的输入数据一部分来自飞行仿真系统的内部反馈状态量如爬升率、飞行高度、当前迎角、侧滑角、角速度、飞机的重心位置等，还需要四个控制舵面的位置数据，用于计算机体坐标轴上的气动系数，最后计算出对应各轴的空气动力和力矩，把计算结果输出到飞机的六自由度运动模块。其中，空气动力主要根据无人机的空气动力系数计算得到[3]。
3.2大气环境模块
无人机的飞行性能与大气状态的主要参数如气温、气压和密度等有密切关系。但是，这些参数随着地理位置、高度、季节、时间以及大气环境的变化而改变着。随着大气环境的变化，无人机的受到的空气动力和机体相关性能都会变化。为了使飞行性能有统一标准和可比性的，就需要一个统一的大气状态作为衡量的标准。大气模块可以根据不同的环境状况提供各种大气的空气密度、压强和声速等参数。
3.3发动机模块
Simulink下构建的发动机模块，根据发动机的种类和推进装置，采用相应的算法计算发动机产生的推力和力矩。发动机模型输入数据包括飞行控制系统传来的控制量，当前海拔高度下的大气压强P，气温T，空气密度，和风速。根据相应的发动机转速n，发动机系数，螺旋桨系数。
3.4地球数据模块
根据当前飞行器所处的地理位置（纬度，经度，海拔），采用WGS-84地球模型系数计算出无人机当前所处位置的地球半径，经纬度以及重力加速度等参数作为之后的导航模块和惯量模块的输入参数。
3.5无人机六自由度运动方程模块
图3六自由度运动方程模块
如图3，在Simulink下建立基于机体坐标系的六自由度运动方程模块。该模块主要根据作用在机体上的气动力A和发动机推力T来计算沿机体轴的分量，利用无人机质量、转动惯量、当地重力加速度、推力、空气动力和力矩计算飞行器的位置、速度、姿态角、角速度等参数，结合的12个微分方程完成飞机六自由度刚体运动方程的解算并输出飞行状态参数。运动方程模块由多个子模块组成。
4.FlightGear模拟器驱动
FlightGear是一款由全世界志愿者共同开发和维护的开源飞行模拟软件，自从David于1997年7月发布了第一个跨平台版本后，FlightGear从最初的空气动力学模型开始，逐渐引入了自然特性（阳光、月光和星光等）、天气特征（云、雾和风等）、平显、仪表板、电子导航系统、机场与跑道以及网络互连操作等众多特性[4]。
在Matlab中已经集成了FlightGear的通信接口，通过使用Pack net_fdm Packet for FlightGear模块将飞行状态数据集合成FlightGear 仿真所需要的参数，再使用Send net_fdm Packet to FlightGear模块发送数据。
要让FlightGear按照指定的初始条件运行，可以使用Generate Run Script模块来完成。完成配置后，在Matlab窗口中输入dos('runfg &')即可驱动FlightGear运行。
5.仿真结果
为了进行全航迹仿真实验，在地面站中设计了一条飞行航线，如下图4所示，任务航线的起点是北纬39.9028°、东经116.2620°。
整个飞行过程大约持续了420秒。下面为仿真的航迹、高度、姿态角、姿态角速率。
图4仿真航迹曲线
图5仿真高度曲线
FlightGear仿真显示如图6。
图6仿真飞行三维视景实时显示（下转第252页
）
变电站微机综合自动化系统可靠性指的是变电站微机综合自动化系统能够按照预期设计方案安全稳定运行，系统只有在可靠性的环境下运行，才能确保变电站各项业务管理工作的顺利开展。所以作为变电站为了能够实现长足稳定发展，必须要加强对变电站微机综合自动化系统可靠性的研究探讨，这是提升变电站整体技术水平和市场竞争力的基本要素。
1．可靠性基本理论介绍
系统是由多个基本元件和子系统有机结合组成，通过系统运行完成某种预定功能的整体；系统可靠性指的是在规定的时间、特定的条件下完成规定功能的效果；目前，系统可靠性主要有以下三种典型的模型：（1）串联系统模型。串联系统顾名思义就是系统中的各个元件间是相互联系相互作用的，如果系统中的一个元件出现故障失效，那么整个系统将会无法正常运行。所以必须要保证系统中所有元件能够正常工作系统功能才能可靠性发挥；（2）并联系统模型。并联系统中的各个元件可以看作是一个单元系统，各个单元系统之间不会因某一单元系统出现故障失效而影响其他单元系统运行。只有全部单元系统失效时并联系统才会无法运行；（3）混联系统模型。混联系统模型指的是系统中的元件既有串联模式也有并联模式，在工程应用中应根据具体的系统功能需求选择不同的系统模型。
2.变电所微机综合自动化系统可靠性分析
通常来讲，变电站采用微机综合自动化系统的目的是为了对变电站所有系统的进行监控、监视、测量、保护及控制管理等。使整个变电所工作系统都能在综合自动化系统的功能作用下可靠性运行。就变电所综合自动化系统的组成元件而言，元件一般都具有可修复的特性，相应地系统也具有可修复性，即可修复系统。微机综合自动化系统结构主要分为三大部分：站级管理层、网络通信层和间隔设备层。其中硬件设备是整个系统的基本构件；通信网路是系统的子系统；综合自动化系统的可靠性如何同系统内的元件可靠性及系统网络结构有直接的关系。下文笔者从综合自动化系统的硬件、软件及网络结构三个方面进行系统可靠性分析。
2.1系统硬件可靠性分析
硬件可靠性相关指标。①可靠度R （t ）：系统或者元件在特定的时间和条件下成功完成规定功能作用的概率；②可用率A （t ）：系统或者元件在特定时间段及规定条件下维持功能的概率；③故障率λ：系统元件在单位时间内出现故障的平均次数；④元件平均无故障工作时间MT-TF ：从元件投入系统使用到元件失效的整个生命周期内正常工作时间；⑤修复率μ：系统元件出现故障在单位时间内修复的概率；⑥平均修复时间MTTR ：系统元件出现故障修复故障所需时间的平均值。系统硬件的可靠性。变电所微机综合自动化系统硬件主要分布在站级管
理层和间隔设备层。其中站级管理层的主要设备是主控单元；间隔设备层的主要设备是继电保护装置及测控装置设备；如果系统采用的网络是以太网，还包括网路设备，如交换机和通信控制器等。在整个系统中，所有的装置都是由多种功能插件构成，功能插件又有多种元件构成。从上述分析我们不难看出，系统可靠程度同系统中元件的可靠度及配置组合方式有很大关系。
2.2系统通信网络结构可靠性分析
目前，变电站微机综合自动化系统的主干网络结构模式主要有以下两种：一种是间隔设备层设备同现场总线的主控单元智能接口模糊块直接相连的模式；基于变电所供电设备种类繁多，系统网络结构形式一般是根据受保护控制设备的不同而选择不同的网络结构形式。此外，由于不同生产厂家产品接口标准不一，使得系统主干线网络表现为多种现场总线并存；采用比较多的现场总线方式有：Canbus 、Modbus 等。另外一种模式是：间隔层设备通信采用现场总线同开关柜内的总线连接，经过通信处理器转换为以太网接口，以太网接口同交换机连接组成星型以太网。星型以太网同主控单位连接进行数据信息的传输。该通信网络结构模式如果间隔层设备出现故障时，其他装置仍能运行，但主监控单元或交换机出现故障时，整个系统就无法运行。可见，系统通信网络结构可靠性取决于主监控单元和交换机。
2.3系统软件的可靠性分析
软件可靠性相关指标。软件可靠性指标同硬件可靠性指标不同，软件如果出现故障，只需对软件进行修复就可以解决故障。决定软件可靠性的因素比较多，总体可概括为以下几个方面：（1）时间因素。系统平均不工作间隔时间及平均操作出现错误间隔时间等；（2）缺陷频数。软件、文件缺陷数以及比较严重的缺陷数；（3）影响软件可靠性百分比。系统故障率、元件不合格率、系统延迟率、人员错误操作率、其他原因不明率等。（4）软件特性。所选用软件系统的特点，计算机性能、系统体制的健全性以及变电所相关的系统可靠性运行指标等。变电所综合自动化系统的软件故障原因。①系统网络通信相关规约未全部通过。②组态软件整定未按规操作，引起故障。③应用软件存在错误或缺陷，未进行修正。
3.结束语
综上所述，影响变电站微机综合自动化系统可靠性运行的因素比较多，为了从根本上解决系统稳定可靠运行问题，需从系统硬件、软件及系统网络通信结构入手，具体采取的措施是：硬件方面，设备尽量采用冗余配置；这样可以保证系统某一单元出现故障时不对其他单元运行造成影响；软件方面，尽可能地选用技术成熟并经过长期运行功能性稳定的软件；系统通信网络结构方面，选用目前可靠程度高的网络拓扑结构。科
变电站微机综合自动化系统可靠性探讨
王旭升
(山东省黄金电力公司
山东莱州261441)
【摘
要】本文从变电站微机综合自动化系统的硬件和软件以及系统通信网络结构等方面探讨了提高系统可靠性的方法和措施，并在文章
最后笔者对如何提高微机综合自动化系统可靠性的要求做出了简要论述，供大家参考。
【关键词】变电站；微机综合自动化系统；可靠性；要求
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（上接第226页）6.结语
本文提出基于FlightGear 的飞信仿真系统，并取得初步的验证效果。该系统有助于飞控系统的开发，基于FlightGear 模拟器建立的可视化显示模块，使得控制率的炎症更加直观、逼真，而且具有扩展性强，使用方便等特点，为今后的研究提供了良好的平台。科
【参考文献】
［1］何湘智,王荣春,周伟.基于MATLAB 的无人机六自由度仿真与研究[J]．机械工程与自动化,2010(4)：32-34.
［2］郭卫刚，韩维，王秀霞.基于Matlab/Flightgear 飞机飞行性能的可视化仿真系统[J].实验技术与管理，2010（27）：110-112.
［3］Sergio de LaParra,Javier Angel,Low cost navigation system for UAV's [J].
Aerospace Science and Technology,2005,9(6):504~516.
［4］黄华，徐幼平，邓志武.基于Flightgear 模拟器的实时可视化飞行仿真系统[J].系统仿真学报,2007(19)：4421-4423.