基于MATLAB的无人机硬件在回路仿真技术研究

论文摘要

近年来,鉴于无人机技术在军事和民用领域广阔的发展前景,使得无人机及其飞行控制技术的研制在世界范围内得到了蓬勃发展。先进的控制系统是改善系统性能、保证系统安全、提高系统效率的关键;而硬件在回路仿真能在无人机控制系统开发早期认识系统中所存在的问题,并能在实时环境下修正软、硬件,这样就为进一步高效的实际系统测试和科研试飞做好了准备。本文针对无人机飞行控制系统仿真的特点,以及控制系统设计的新要求,提出了利用MATLAB提供的硬件在回路仿真环境进行无人机飞行控制系统的仿真技术研究。论文详细论述了构建基于宿主机和目标机模式的无人机飞行控制系统硬件在回路仿真平台的关键技术和实现方法。首先,利用Simulink建立系统模型;然后,利用MATLAB平台下的RTW及xPC Target等工具箱将模型转化为可以在目标机上实时运行的代码,并通过硬件I/O接口构建硬件在回路仿真平台;最后,以某型无人机为样例,构建完整的基于MATLAB的无人机飞行控制系统硬件在回路仿真平台,并进行试验验证和分析。样例无人机的硬件在回路仿真结果,证明了基于MATLAB的硬件在回路仿真技术在构建无人机快速仿真平台方面的可行性及有效性。该技术方案能将PC机转变为实时控制系统,并将其作为飞行控制系统的仿真实现平台,且具有通用、快速、灵活、低成本的特点。该技术的研究对于飞行控制系统快速原型设计和硬件在回路仿真具有深刻的工程背景和应用价值。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 系统仿真技术
• 1.2.1 系统仿真概述
• 1.2.2 硬件在回路仿真的研究现状
• 1.3 无人机飞控系统仿真的技术需求
• 1.3.1 对飞行控制系统设计所提出的新要求
• 1.3.2 无人机飞控系统仿真的技术路线
• 1.4 基于MATLAB 的硬件在回路技术
• 1.4.1 技术的可行性及优点
• 1.4.2 国内外研究现状
• 1.5 本文的研究工作概要
• 第二章 系统设计方案
• 2.1 引言
• 2.2 方案的背景、研究目标和技术目标
• 2.2.1 方案设计的背景和研究目标
• 2.2.2 技术目标
• 2.3 硬件在回路的实现方案
• 2.3.1 单机模式
• 2.3.2 双机模式
• 2.3.3 多机模式
• 2.4 技术实现的主要内容和关键点
• 2.4.1 建立对象特性模型
• 2.4.2 等效飞控技术
• 2.4.3 硬件接口技术
• 2.4.4 实时通讯技术
• 2.4.5 实时嵌入式代码生成
• 2.4.6 实时仿真要求
• 2.5 仿真系统的验证方案
• 2.6 本章小结
• 第三章 对象特性建模与实现
• 3.1 引言
• 3.2 无人机非线性数学模型（英美坐标体制下）
• 3.3 气动力/力矩计算
• 3.4 MATLAB 环境下的建模实现
• 3.5 无人机建模实现技术
• 3.5.1 C MEX S-Function 的实现技术
• 3.5.2 Simulink 下的无人机模型库
• 3.5.3 无人机模型的实现
• 3.6 传感器、执行机构仿真技术
• 3.7 本章小结
• 第四章 等效飞控实现技术
• 4.1 引言
• 4.2 等效飞控技术的实现内容
• 4.2.1 飞行管理系统
• 4.2.2 飞行任务管理
• 4.2.3 飞行控制律
• 4.2.4 输入/输出接口
• 4.3 等效飞控技术的实现方案
• 4.3.1 等效飞控的功能划分和软件模块
• 4.3.2 人机接口
• 4.4 本章小结
• 第五章 xPC 目标 I/O 接口技术
• 5.1 引言
• 5.2 xPC Target 的 I/O 接口种类
• 5.2.1 ISA 总线设备
• 5.2.2 PCI 总线设备
• 5.3 xPC Target I/O 接口实现原理及使用说明
• 5.3.1 xPC Target 下设备驱动模块的组成及其功能
• 5.3.2 设备驱动模块所要实现的主要功能
• 5.3.3 设备驱动模块的使用
• 5.4 自定义设备驱动的实现
• 5.4.1 自定义设备驱动的实现流程
• 5.4.2 DAQ 设备
• 5.4.3 多串口设备
• 5.5 仿真系统I/O 接口库的实现及检测
• 5.6 xPC Target I/O 接口功能扩展
• 5.7 本章小结
• 第六章 系统集成和嵌入式过程
• 6.1 引言
• 6.2 系统集成
• 6.2.1 系统整合
• 6.2.2 硬件接口
• 6.3 功能扩展
• 6.3.1 基于MATLAB 的测试及遥控遥测软件
• 6.3.2 基于VC 的测试及遥控、遥测软件
• 6.3.3 基于MATLAB 的虚拟现实功能
• 6.4 嵌入式的实现基础
• 6.4.1 MATLAB RTW 系统概述
• 6.4.2 Simulink 中仿真的步骤
• 6.4.3 实时的运行
• 6.5 嵌入式代码的运行及监控
• 6.5.1 xPC 目标内核的启动
• 6.5.2 嵌入式代码的下载及运行
• 6.5.3 目标机中代码的监控
• 6.6 本章小结
• 第七章 系统测试与验证
• 7.1 引言
• 7.2 构建试验平台
• 7.2.1 系统配置
• 7.2.2 系统初始设置
• 7.2.3 Simulink 下的系统模型
• 7.2.4 对目标程序的监控及数据采集
• 7.3 仿真、测试
• 7.3.1 纯数字
• 7.3.2 双机模式
• 7.3.3 多机模式
• 7.4 仿真结果分析
• 7.4.1 Simulink 下的纯数字仿真、测试
• 7.4.2 xPC Target 双机模式下的目标接口短接仿真、测试
• 7.4.3 xPC Target 多机模式下的硬件在回路仿真、测试
• 7.4.4 验证方案的综合分析
• 7.5 本章小结
• 第八章 总结与展望
• 8.1 本文研究工作的总结
• 8.2 后续研究工作展望
• 参考文献
• 致谢
• 在学期间发表的论文
• 附录