基于Matlab/Simulink的飞行器全数字仿真平台的设计

摘 要：针对飞行仿真的研究通常会忽略仿真模型或平台的通用性、可重性及互操作性等问题，采用对所设计仿真平台的功能进行详细划分和描述，构建总体仿真系统框架的措施来解决这些问题。首先，在Matlab环境下建立飞行器全数字仿真平台，利用该平台可以进行动力学分析、飞行控制系统设计及航迹规划等不同任务。其次，利用MATLAB 提供的GUI 接口实现人机交互界面的设计的设计。所设计平台模块的划分相对独立，人机交互界面可修改飞行器的相关信息，具有较强的通用性。

关键词：Matlab/Simulink GUI 飞行控制 数字仿真 仿真平台

中图分类号：V274 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2013）02（c）-00-01

飞行器可以被应用于运输、救生、对地观测、空中预警以及通讯中继，因此其在军事和民事领域中都有很大的应用前景。因此对飞行器进行仿真分析很有必要，同时仿真也是对飞行器的动力学特性分析、控制律设计等工作的重要手段。MATLAB作为一种面向科学计算、可视化以及交互式程序设计软件。

它将数值分析、矩阵计算、科学数据可视化以及非线性动态系统的建模和仿真集于一身，为科学研究、工程设计以及必须进行有效数值计算的众多科学领域提供了一种全面的解决方案。Simulink是MATLAB提供的仿真工具，可以方便地进行动态系统建模、仿真、分析等。该文基于Matlab GUI建立飞行器的全数字仿真平台。利用该平台可以快速地进行用飞行器的全数字仿真，根据参数设置的不同进行航迹规划、实时状态参数显示和仿真结果显示等仿真工作。

1 仿真系统框架设计

仿真系统可分为导航和控制模块、执行模块、飞行器动力学模块和人机交互界面模块。其中导航控制模块又分为航迹规划模块、接受指令模块、飞行管理系统、导航系统及控制系统五个子模块，导航子模块把飞行器的状态信息传给飞行管理系统，飞行管理系统根据航迹规划的要求处理后给出模态控制信号从而控制着飞行器的飞行，执行模块由舵机模型组成。如图1所示。

2 基于Matlab/Simulink的非线性数学模型的建立

该文在Matlab/Simulink下建立飞行器非线性数学模型，飞行器非线性数学模型主要包括纵向和横侧向插值模块、发动机模块、力变换模块、力矩变换模块、飞机动力学模块。气动数据反映到飞行器运动方程中主要是以三个力和三个力矩形式给出的，即阻力D、侧力Y、升力L、滚转力矩R、俯仰力矩M、偏航力矩N。这些力和力矩在数学模型中通过力变换模块和力矩变换模块进行计算。在所建立的非线性数学模型基础上，基于PID及非线性控制方法即可设计飞行控制系统。如图2所示。

3 基于Matlab GUI的人机交互界面设计

图形用户界面（GUI，Graphical User Interfaces）在MATLAB程序开发中起着举足轻重的作用。随着Matlab中GUI技术的发展，己经可以像VC一样，建立一个界面进行数据、曲线显示和控制操作。Matlab用户图形接口GUI，则可以编出图形、数据显示以及指令输入界面。图形用户界面（GUI）可以通过Matlab提供的界面设计工作台（Layout Editor），设计出具有菜单和用户控件的复杂窗口。Simulink通过S-function对GUI的数据传输。在GUI模块中，每个控件都有独立的句柄。通过句柄就能实现对数据的控制及刷新。例如质量M的输入编辑框的句柄Tag为M_input，该编辑框对应着一个回调函数：function M_input_Callback（hObject，eventdata，handles）

如果需获取相关信息，只要先找到相关的句柄即可，如需获取飞行器的质量M信息，即需先找到其句柄，如下所示：M=str2num（get（handles.M_input，’String’））；

其中handles.M_input是获取相应编辑框的句柄。

4 结语

该文对飞行器的仿真系统及其平台设计进行研究及分析，基于Matlab simulink建立飞行器的数学模型，同时利用GUI建立人机交互界面，对飞行器数学模型及控制系统进行仿真验证。

参考文献

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