无人机6自由度仿真模型简介

     本文使用的是simulink 中的飞行器设计框架搭建的无人机的仿真模型。    大致的仿真步骤如下图所示：

          在Simulink中提供了航空宇航模块Aerospace Blockset, 它是用于在Simulink中进行航空航天飞行器建模、集成与仿真的模块。 Aerospace Blockset将航空航天领域通用的标准模块在Simulink 环境下进行了集成,能够方便地组合航空航天飞行器的系统结构,并在此基础上进行完整的系统开发、测试工作 , 完成航空航天系统的概念设计。它提供六自由度和三自由度模型库 ,可以进行固定质量或者变质量系统模型的建模与仿真。

    其中我们无人机仿真使用的模块大致就是一下这些：  

                                                          

       在我们一般的建模过程中主要使用下图所示的六自由度欧拉模型库( 6DOF ( Euler Angles) )。六自由度欧拉模型的输入是作用在无人机上的合力和合力矩在机体轴上的分量:Fx、Fy、Fz、L、 N、M; 输出是地面坐标系下的速度、位移、 飞机姿态角, 地面坐标系到机体系的变换阵 B , 机体坐标系下的速度、机体角速度、 机体角加速度 。

      现在介绍下本人使用simulink自己手动搭建一个，固定翼无人机6自由度仿真模型的过程：

     1、设置参数矩阵：A、B、C、D 四个参数矩阵

       状态空间模型起源于平稳时间序列分析。当用于非平稳时间序列分析时需要将非平稳时间序列分解为随机游走成分和弱平稳成分两个部分分别建模。 含有随机游走成分的时间序列又称积分时间序列，因为随机游走成分是弱平稳成分的和或积分。当一个向量值积分序列中的某些序列的线性组合变成弱平稳时就称这些序列构成了协调积分过程。

                      其满足状态空间模型：   dx/dt = Ax + Bu  ；y = Cx + Du

      一下设置了仿真系统初始化时的系统参数：

                  飞机速度             攻角            俯仰角速率         俯仰角             侧滑角         滚转角速率    偏航角速率      滚转角     偏航角          

矩阵B初始参数如下：

矩阵C初始参数如下：

矩阵D为9*4零阵

     其他初始化参数是：速度: 200.00    迎角: 3.72    俯仰角速度: -0.00    俯仰角: 3.72   侧滑角: 0.00   滚转角速度: -0.00   偏航角速度: 0.00   偏航角: 0.00   滚转角: 0.00   升降舵偏角: -0.42   油门开合度: 0.38  单台发动机推力: 18818.21  副翼偏角: -0.00   方向舵偏角: 0.00

   接着直接上滚角的响应原理图

其中各个部分参数设置如下：

       输入频率为50%的方波信号，第一级增益控制器放大增益为矩阵C中参数57.2958，不采样；下一级为Subsystem3，其依据公式为：，其连接图为：

下一部分是：

                             其内部就是一个Dail_c = (dp_des+13.0356*x(5)+2.0846*x(6)-0.5829*x(7))/0.2136;

                比例+微分环节(PD)其设置 经验值 Kp =-6.42 ；Kd = -16.50

                 经过系统的反馈矫正重新生成状态空间矩阵，其内部的连接如下所示：

最后一级就是总线连接图：

以上就是一个完整的滚角的响应原理图；

另外两个角度的响应原理差不多，就直接上图了，就不详细介绍了。

q 俯角响应连线图：

r 偏航角响应连线图：

区别的参数有：q 俯角的PD 经验系数 Kp =  0.10; Kd = 0.42    r 偏航角的PD 经验系数 Kp =-10.6; Kd = 758

本文大致介绍了在simulink下仿真无人机的6自由度，其中有许多不足希望大家多多包涵哟。