无人侦察机实时仿真系统

无人侦察机实时仿真系统 系 统 仿 真 学 报? 第 19 卷第 13 期 Vol. 19 No. 13 2007 年 7 月 Journal of System Simulation July, 2007 无人侦察机实时仿真系统 金国栋,卢利斌,何元磊 (第二炮兵工程学院 602 教研室, 陕西 西安 710025) 摘 要:无人侦察机实时仿真系统用于进行地面控制站的模拟训练。衡量模拟训练仿真系统优劣的 重要指标是模拟的真实性,技术核心是飞行控制系统仿真和视景仿真实现方法的运用。利用 MATLAB /SIMULINK环境对已知的飞行控制系统进行仿真,通过实际飞行数据对仿真结果进行最 小二乘曲线拟合,修正飞行参数方程,实现模拟飞行的真实性,介绍了贴近真实场景的视景仿真方 案的选择。仿真系统具有重要的理论价值和应用价值,为无人机模拟训练系统开发提供了借鉴思路。 关键词:无人侦察机,模型,飞行控制系统,视景仿真 中图分类号:TP391.9; V279 文献标识码:A 文章编号:1004-731X (2007) 13-2932-04 URAV Real-time Simulation System JIN Guo-dong, LU Li-bin, HE yuan-lei (Faculty 602, The Second Artillery Engineering Institute, Xian 710025, China) Abstract: The UAV real-time simulation system is used for simulation training of ground control station. An important factor that influences the whole simulation training system is simulation authenticity, the technical core of which are the simulation of flight control system and the way of achieving scene simulation. A simulation of known flight control system was carried out with the environment of MATLAB/SIMULINK, Using the actual figures to modify flight parameter equations by Least squares method curve fitting, and a brief presentation on the choosing of scene simulation schemes was given. The system offers a way for developing UAV simulation training system, thus of great value in both theory and practice. Key words: Unmanned ReconnaissanceAerial Vehicle (URAV); model; flight control system; scene simulation 通常硬件外观的真实性模拟比较好解决，但飞行过程的 引 言模拟和视景的模拟贴近真实情况，较难解决。现有的飞行控 制系统仿真很难达到飞行规律与真实情况的一致，有时甚至 现代局部战争中，无人侦察机由于零伤亡的优势，已经 成为获取情报的一种重要手段。目前世界各国共有数万架无 相差很大，这就非常不利于操作手的模拟训练了。而这类问 人机，其中大多为无人侦察机，主要用于战场侦察、搜集情 题相关文献尚未提及解决方法。 报、目标跟踪或打击效果评估。无人侦察机的广泛使用，就 下面以 XX 型无人侦察机实时仿真系统为例，介绍解决 要求必须研制和生产无人侦察机实时仿真系统，用于平时部 此类问题的方法。 队训练，以减少装备频繁使用带来的飞行风险和损伤，节省 训练经费。 2 飞行控制系统仿真 2.1 建模思路 1 问题的提出 根据该型无人侦察机飞行控制系统的实际，需要仿真的 主要控制量、状态量如图 1 所示。飞行控制系统模型就 无人侦察机在执行任务过程中，主要是利用地面控制站 是要建立图中重要参量之间实际可解算的数学方程，模拟无 对无人机进行实时控制，并且实时接受无人机传回来的各种 人机在整个执行任务中的飞行规律。 信息，显示在地面控制终端上。因此无人侦察机实时仿真系 统主要是模拟地面控制站对无人机的控制以及在终端上显 示无人机反馈回来的各种信息。 升降控制 升降舵 俯仰角 爬升率 高 度 目前有关无人机实时仿真系统的研究开发已经较为成 熟，国内外相关文献也较多。但其大部分仿真系统用于无人 风门控制 风门角 转 速 空 速 机品质评估和飞行。无人侦察机模拟训练仿真系统是用 地 速 于无人机地面操作手进行模拟训练的，其仿真系统的优劣主 风 速 要取决于模拟的真实程度。 风道控制 风道角 缸 温 发动机状态 左副翼收稿日期:2006-05-24 修回日期:2006-11-27 航向角 转弯半径 副翼控制 舵偏角 基金项目:军队装备建设基金项目(050901) 右副翼 作者简介:金国栋(1979-), 男, 安徽人, 硕士, 研究方向为无人机应用与 仿真; 卢利斌(1964-), 男, 副教授, 研究方向为无人机应用与仿真; 何元 图 1 飞行控制主要参量关系图 磊(1983-), 男, 硕士生, 研究方向为无人机应用与仿真。 2? G V 飞机准确的数学模型是复杂的变系数非线性六自由度 = L sin φ?S R g 微分方程，根据飞行数据求解方程是不现实的。因此根据该 ? ? L cos φ= G型无人机在实际飞行中机动性不比有人机，可通过系统简化 ?S 可得到基于给定飞行状态(给定的高度及空速状态)条件下 φ其中为绕速度轴的滚转角。 S 的纵向及横侧向常系数线性微分方程，从而得到仅适用于这 (6) 直接升力控制 种飞行状态的模型结构及参数，通过逐次对整个飞行包线内 M ?a + M q + M ?δ= a q δ e 不同飞行状态求解适用于不同飞行状态的模型结构及参数， 0e ? δδ= 最终得到适用于整个飞行包线的完整的飞行仿真数学模型。 e ,n ?n e整个无人机飞行控制系统建模如图 2 所示。 ? L L a ?n = = ?G G a其中 ?a 为定常曲线飞行对定常直线平飞的迎角增量，?δe 实际数据 为升降舵的阶跃偏转量，q 为俯仰角速率，?n 为载荷系数增 量，δ为产生单位过载所需的升降舵偏角。 空气阻力 e,n 受力 重 力 分析(7) 直接侧力控制。 无人机动 力学方程 滚动力矩 解算 ? ? ( x? x ) + N / Y δ c . g . β β 偏航力矩 力矩 ?δψ S 1 ?? Y 拟合修正δ 分析N 1 / Y+ N / m V m1 β β r 俯仰力矩? ? = 无人机运 V L r 动学方程δ = ? n S 发动机 风 门 仿真实现和解算 L δ ?ψ 推力 终端显示 a? ψ其中为航迹偏航角速率，β 为侧滑角，r 为偏航角速率，δ S 1 风 道 无人机控 发动机 为直接侧力控制面的偏转角，δ副翼偏转角，L 为滚转力矩。 n 制量方程 缸温 解算 2.3 MATLAB/SIMULINK 环境下飞控系统的仿真 把现有的实际飞行数据代入方程，解算出发动机的推 图 2 飞行控制系统建模流程示意图 力，再根据推力解算出适合该型无人机的运动学参数曲线以 及缸温等相关参数曲线。 2.2 飞控系统基本数学模型 [1]2.3.1 发动机动力学仿真 飞行仿真数学模型主要包括以下运动学和动力学方程: (1) 飞机在铅锤平面内运动的质心运动方程 (1) 角速度解算模型 G dV 输入参数:γ (滚转角)， ψ (偏航角)，(俯仰角)? ϑ = T cos(a + φ) ? D ? G sin γ T g dt 输出参数:(滚转角速度)，(偏航角速度)，(俯ωω ω xt yt zt γ?Gd ? 仰角速度)= T sin(a + φ) + L ? G cos γ V T ? g dt (2) 气动力解算模型 ? γ = θ ? ??? 输入参数:V(空速)， α (迎角)， β (侧滑角)， δ z a 其中 g 为重力加速度，G 为重力，V 为速度，L 升力，D 为 (升降 舵偏角)， (副翼偏角) δ阻力，T 为发动机推力， 为 T 与机体纵轴夹角，a 为迎角， x φ T 输出参数:Q(阻力)，Y(升力)，C(侧力) θ 为俯仰角，γ 为轨迹倾斜角。 (3) 气动角解算模型 (2) 平飞需要推力。 为维持飞机在某高度以某速度做 匀速直线平飞所需要 输入参数:V， ， ， ，Q，Y，C，γ，ωω ωϑ xt yt zt 的发动机推力，即为定常平飞需要推力 Tr。 输出参数: α ， β (4) 发动机推力解算模型1 ? 2 T= D = ρV SC r D ?2输入参数:V， α ， β ，Q，C，γ， ϑ ? 1 2 ? G = L = ρV SC 输出参数:P(发动机推力)L ? 2 仿真计算模型见图 3 所示。 其中 ρ 为空气密度，S 为机翼面积，C阻力系数，C升力 D L 2.3.2 无人机飞行仿真 系数 (1) 推力模型 (3) 油门特性曲线(转速特性曲线)。反映净推力 T随转 n 速 n 的变化关系。 第 19 卷第 13 期 Vol. 19 No. 13 2007 年 7 月系 统 仿 真 学 报July, 2007 发动机动力学仿真模型图 3 仿真数学模型的适用性和鲁棒性，使仿真系统达到真正能够输入参数:P， ， δ δ z x 训练操作手的目的。 输出参数:h，V 计算方法:根据无人机六自由度非线性运动方程 通过科学计算软件 MATLAB，利用最小二乘曲线拟合， 仿真计算模型见图 4 所示。 实现对实际飞行模型中重要参量的修正。具体方法是把一些 重要参量构造成 M 阶最小二乘多项式(M 根据方程所要达到 的精度确定): 2 M M ?1 y = c+ cx + cx + … + cx + cx1 2 3 M M +1 其中 y 为需要拟合的参量。 调 用的 MATLAB 函数为: Function C=lspoly(x,y,M) n=length(X); B=zeros(1:M+1); 图 4 无人机飞行仿真模型 F=zeros(n,M+1); For k=1:M+1 仿真获取的空速曲线如图 5 所示，随着仿真时间的增 F(:,k)=X’.^(k-1); 长，结果与实际数据的误差也在不断增大。 End 44 A=F’*F; B=F’*Y; 43 C=A\B; C=flipud(c); 42 为了验证飞行控制仿真系统模型的适用性，在实验中按 照某次任务，无人机所使用飞行控制指令，进行仿真飞行。 41 将空速和高度仿真数据与实际飞行数据比较，如图 6，7 所 V/(m/s) 示。可以看出，仿真数据的变化规律和大小与实际飞行数据 40 基本吻合。 39 38 0 5 10 15 T /s 空速仿真曲线图 5 2.4 飞行参数的修正 上述解算出来的飞行数据不能直接用于仿真系统，它与 实际遥测到的飞行数据有很大误差(如图 5 所示)。必须通过 大量的实际飞行数据进行模型验证和修正，以提高飞行控制 图 6 空速仿真数据与实际飞行数据的比较 虚拟图像坐 飞机实时参数目标实时参数 坐标变换(经度、纬度、 (经度、纬度 标及子图像 高度、航向角)及覆盖范围)索引号 计算纹理坐标 相机实时参数纹理的 (方位角、高低 OPGL坐标 角，焦距) 虚拟摄像机在 载入纹理显示图像 Opengl坐标系 中的位置 图 8 仿真程序数据流程示意图 成。其中图像图形引擎部分又包括图像计算模块、图像显示 模块以及其他辅助类模块。 图像计算模块，主要负责坐标图 7 高度仿真数据与实际飞行数据的比较 之间的转换、显示区域的 3 无人机侦察图像仿真 生成以及图像块索引的生成。其中坐标转换主要包括地理坐 3.1 仿真的确定 标与全局图像坐标之间的转换、全局图像坐标与局部图像坐 无人侦察机任务设备由多种，针对 XX 型无人侦察机， 标之间的转换、局部图像坐标与 OpenGL 坐标之间的转换。 其任务设备主要是 CCD 电视摄像机。下面重点讨论对 CCD 图像显示模块，主要用于对 OpenGL 图像序列的调整与 电视摄像机的视景仿真的实现方法。 显示。 其他辅助类模块主要是在图像显示中添加文字显目前视景仿真最常用的方法是虚拟现实技术，由计算机 示、线 生成具有高度临场感觉的虚拟空间。但是对无人机侦察图像 的仿真应用这种办法存在以下几个问题: 条显示、图形显示、程序调试状态显示以及执行打印任务等。1) 无人机是通过地面控制站来控制无人机进行侦察 网络通信模块，任务控制仿真计算机作为客户机，接收的，地面控制站的领航机柜上配有真实的地形图，侦察图像 平台状态信息、飞机位置信息和面板操作信息。并与中央控 的景象要与真实地形图匹配。当地图所包含地域过大时，若 制服务器端进行通信，交换状态信息和故障设置信息。 采用虚拟技术，使模拟的视景图像与地图上的地物匹配，实 现技术难度大，周期长，花费多。 4 结论 2) 采用虚拟技术模拟的图像与真实图像相比，真实感 本套无人侦察机实时仿真系统是用于对地面控制站操 上有一定差距。这样不利于无人机任务操作手训练(任务号 作手进行训练的模拟系统。它利用计算机技术对无人侦察机 手根据任务柜监视器上的图像和领航柜上地图来寻找侦察 系统的物理功能进行仿真，提供一个与真实系统完全一致的 目标)。 本套仿真系统的图像仿真采用平面网格纹理贴图与漫 使用环境。 游技术。根据已有的飞行任务录像，提取不同地物的特征影 该系统现已交付部队使用，实践证明该仿真系统具有重 像图，采用纹理拼接算法，按数字化地图中的地物特征拼接 要的军事应用价值，并且为同类型仿真系统的开发提供了一 出飞机在该地图对应区域的仿真航拍图。再将该仿真航拍图 定的理论指导。 作为图像纹理贴到平面网格上，采用图像漫游算法，使仿真 参考文献: 视景图像按飞行姿态和平台姿态在仿真航拍图中漫游，将实 时输出的仿真视景图像转化为视频输出，模拟 CCD 电视摄 [1] 文传源. 现代飞行控制 [M]. 北京: 北京航空航天大学出版社, 像机所拍摄到的影像。 2004. 该方案突出的优点是图像真实感强，实现难度较小。 陈兵, 朱纪洪, 孙增圻. 基于 PC 机的无人机仿真系统 PC based [2] 3.2 视景图像仿真的实现 视景仿真实现的数据流程如UAV simulation system [J]. 系统仿真系统报, 2002, 14(5): 613-616. (CHEN Bing, ZHU Ji-hong, SUN Zeng-qi. PC Based Unmanned 图 8 所示。 视景仿真主要由图像图形引擎部分与网 Aerial Vehicle Simulation System [J]. Journal of System Simulation, 络通信部分组 2002, 14(5): 613-616.) 谢凌云. 无人机视景仿真系统的设计与实现 [D]. 西安: 西北工业 [3] 大学, 2003. 夏鲁宁. 动态虚拟地景的设计与实现 [D]. 西安: 西北工业大学, [4] 2002.