基于JSBsim的小型无人机飞行控制仿真系统

【摘要】2 可视化飞行仿真系统设计 本文采用模块化的设计思想完成了仿真平台的搭建。由机系统是一个非常复杂的系统，因而研制全新的仿真无人机系统将是一个非常复杂的过程。 首先，采用JSBS...

【摘 要】针对传统飞机动力学模型通用性差、代码执行效率低的问题。综合JSBSim、MATLAB软件的优点，提出基于某小型无人机的飞行仿真系统。新设计的系统具有通用性强、运行速度快、易操作性、数据精度高、便于二次开发等优点。

【关键词】无人机 建模 jsbsim MATLAB 飞行控制

1 引言

常规的无人机建模通常是基于Matlab/Simulink的建模存在模型通用性差、开发效率低等问题。使用JSBSim建模时，只需重新配置XML格式的模型规格文件，就可以实现对不同机型的仿真，同时可以将研究集中在控制律设计。

由于JSBSim飞控模块相对有限，无法实现某些控制算法。基于模块化设计思想，分别利用JSBSim软件建立了飞行动力学模块、MATLAB软件设计了飞行控制模块，为飞行品质的评估提供仿真平台。

2 可视化飞行仿真系统设计

本文采用模块化的设计思想完成了仿真平台的搭建。由机系统是一个非常复杂的系统，因而研制全新的仿真无人机系统将是一个非常复杂的过程。

首先，采用JSBSim软件完成对某型无人机气动力的建模；其次，采用MATLAB与C++混合编程技术，编写C++MEX S函数模块实现了对JSBSim软件的调用和数据通信；再次，在MATLAB环境中设计有效的飞行控制系统。

3 基于JSBsim的无人机建模

JSBSim是一个开源的、支持多平台的、由数据驱动的飞行动力学模型框架。由C++语言编写，能够支持各类型的航空器仿真模型。本文基于开放的JSBSim-XML标准，利用XML技术实现对运输机灵活的建模。

对于JSBsim的建模，其模型为xml的配置方式实现，可以用JSBSimCommander辅助对xml文件进行配置，包括飞机外形、质量、发动机参数、推进系统、空气动力系数等，完成模型的建立。

4 Simulink飞行仿真平台搭建

在MATLAB/Simulink平台下，通过编写S函数运行JSBSim程序，对飞行数据进行解算，返回飞机状态等参数。

本文在系统搭建过程中，使用编译器编译后生成MEX文件，成为MATLAB可调用的函数（动态链结子程序），实现JSBSim模型在Simulink中的直接调用。

5 飞行控制系统

由于JSBSim模型的飞行控制模块功能有限，本文在Simulink下设计飞控系统。

无人机的飞行控制系统有俯仰、滚转控制通道，设计飞行控制律时一般需要考虑各通道间的独立性和关联性。

在控制方法的设计中，把各航段的复杂飞行状态分解为几个基本的飞行任务。通过相对独立的纵向控制通道和横侧向控制通道协调实现无人机的平飞、升降、转弯等基本飞行任务。

5.1 无人机纵向控制律设计

纵向控制系统包含俯仰角的控制回路和高度控制回路。

在俯仰控制回路上，考虑采用高度控制结构，通过设定高度和实际飞行高度h的差值经过控制器输出俯仰目标角，再叠加一个副翼转弯时的拉杆补偿量，经过合理限幅得到目标俯仰角。俯仰角控制回路根据输出控制量到副翼舵机，改变当前的飞机俯仰角，采用PID控制器，通过对控制器参数调节可以获得较好的高度控制响应。

其中俯仰角控制回路还引入了内环的俯仰角速率负反馈可以改善短周期阻尼。

5.2 无人机横侧向控制律设计

无人机的横侧向姿态稳定和控制就是要保证高精度的偏航角ψ和滚转角φ的稳定与控制，可以完成平稳的转弯飞行。

无人机横侧向运动控制有副翼和方向舵两个控制回路。其中方向舵回路比较简单，而副翼把滚转角作为控制的内回路，偏航控制为外回路。偏航控制也要通过调节副翼偏转来实现滚转角的变化，达到控制无人机侧偏的目的。

滚转角控制内回路是滚转角速率q的反馈回路，外回路是滚转角φ的反馈回路。

方向舵的控制采用与副翼联动的方式，则有，其中为联动系数。通过调整两个通道的控制信号实现协调转弯。

6飞行仿真实现

仿真初始高度为2000m，给定航向角90度则仿真结果如图1。

升降舵平稳在某一恒定值，此时飞机有一定的仰角（平飞仰角）。横侧向控制部分主要有对滚转角的控制和航向角控制，滚转角保持响应曲线，给定滚转角8度。由仿真曲线可以看出无人机模型可以准确快速的响应，航向角稳定在90度。

7结论

本文完成了某型无人机仿真系统的搭建，后台程序JSBSim负责对飞机空气动力特性进行仿真，并将仿真数据的结果返回MATLAB处理环境中，在Simulink下实现了先进控制律的设计。该仿真环境为无人机全过程飞行仿真的性能验证提供了良好的集成环境。在此仿真环境中无人机的控制规律得到了验证。

参考文献：

[1] 马 骏 孙秀霞 董文瀚.基于JSBSim 的运输机重装空投飞行仿真系统[J]. 计算机应用与软件， 2012（29），65-68.

[2] Jon S. Berndt and the JSBSim Development Team. JSBSim Reference Manual.[M].2011.

[3]李圆圆刘静静。基于Matlab的虚拟飞行仿真系统设计与实现[J].科技创新导报，2013（3），31.