Имитационные модели для БПЛА часто нуждаются в различных уровнях точности на разных стадиях разработки. Системный конструктор может получить поэтапно лучший доступ к характеристикам БПЛА по мере развития конструкции.
В примере модели БПЛА «Примерная высокая точность» с блоком «Модель наведения БПЛА» настраивается блок наведения на соответствие характеристикам самолета высокой точности. Однако некоторые более расширенные параметры моделирования могут быть недоступны в тот момент, когда выполняется проектирование. Это может включать модели датчиков, полное моделирование аэродинамики и динамику исполнительного механизма.
В этом примере показано, как конструировать модель средней точности с использованием аэродинамических коэффициентов, кривых тяги и спецификаций времени отклика. Предполагая, что модель высокой точности недоступна до конца процесса проектирования, эта модель средней точности позволяет протестировать планировщик пути и спроектировать контроллер среднего уровня, не требуя сложности модели высокой точности.
Когда модель высокой точности доступна, можно смоделировать дополнительные эффекты и изучить измененный отклик системы. Сравните модель средней точности со сложной системой высокой точности по требуемому набору ППМ. Этот пример демонстрирует, что модель средней точности обеспечивала точную оценку траектории БПЛА и шагового отклика.
Чтобы получить доступ к файлам примеров, щелкните Открыть сценарий Live или используйте openExample функция.
openExample('shared_uav_aeroblks/UAVFidelityExample')
Откройте Simulink™ проект, приведенный в этом примере.
cd fidelityExample openProject('fidelityExample.prj')
Предположим, что ваш БПЛА имеет эти необходимые проектные характеристики для ступенчатой реакции на команды крена, высоты и скорости полета.
Чтобы запустить вариант с низкой точностью, щелкните ярлык Simulate Plant в группе Low Fidelity панели инструментов проекта.
Этот ярлык задает FidelityStage параметр 1, настраивает модель FidelityStepResponse для моделирования модели с низкой точностью и выводит ответ на шаг. Отклик на шаг вычисляется для откликов на высоту, воздушную скорость и крен.
Откройте блок модели наведения БПЛА на фиксированное крыло в подсистеме FidelityStepResponse/FixedWingModel/LowFidelity. Проверьте набор коэффициентов усиления на высоту, скорость и отклик крена на вкладке Конфигурация (Configuration). Вариант низкой точности, предоставленный в этой модели, уже настроен для достижения желаемого отклика, но вы можете настроить эти преимущества на конкретные требования. Этот блок наведения интегрирует контроллер с динамикой самолета. Используйте этот вариант низкой точности в качестве первой оценки того, как быстро БПЛА может реально реагировать на настройку планировщиков высокого уровня.
По мере развития конструкции БПЛА становятся доступными коэффициенты подъема и лобового сопротивления. Выбирается двигатель для самолета, который определяет кривые тяги. Чтобы лучше предсказать ответ БПЛА, используйте эту информацию для улучшения модели. Фиксированная точечная масса (аэрокосмический блок) от Aerospace Blockset™ принимает эти параметры и оценивает динамику транспортного средства.
Чтобы настроить вариант со средней точностью, щелкните на ярлыке Setup Plant в группе Medium Fidelity панели инструментов проекта.
Проверьте вкладку Динамика транспортного средства в модели в разделе FidelityStepResponse/FixedWingModel/Mid Fidelty/Динамика завода БПЛА/Динамика транспортного средства.
Модель средней точности рассматривает БПЛА как точечную массу, причем основными управляющими переменными являются угол атаки и крен. Эта модель установки средней точности принимает в качестве управляющих входов крен, тангаж, тягу. Блок точечной массы предполагает мгновенную динамику крена и угла атаки. Эта модель использует передаточную функцию для задержки крена модели на основе нашей спецификации отката крена.
Органы управления самолетом используют тангаж вместо угла атаки. Для вычисления угла блока точечной массы при вводе атаки модель растения преобразуется из шага в альфа с помощью этого уравнения.
+ α
, γ а и α - тангаж, угол траектории полета в ветрораме и угол атаки соответственно .
В отличие от модели с низкой точностью, модель со средней точностью нуждается в высокоуровневом контроллере для управления высотой-шагом и скоростью воздуха до дроссельной заслонки. Стандартные контроллеры используют стандартные контуры PID-настройки для достижения удовлетворительной реакции без перегрузки. Для проверки контроллера внешнего контура откройте Outer_Loop_Autopilot Модель Simulink.
Затем изучите ступенчатую реакцию растения средней точности. Чтобы смоделировать отклик шага средней точности, щелкните ярлык «Смоделировать завод» (Simulate Plant) в группе «Точность средней точности» (Medium Fidelity) панели инструментов проекта. Графики ответа на шаг отображаются в виде рисунков.
Обратите внимание на то, что в модели достигнуто время оседания скорости воздуха 0,6 секунды и отклик на высоту 4,1 секунды, что соответствует нашим критериям проектирования. Однако отклик на высоту медленнее, чем вариант с низкой точностью. Это отставание в ответ ожидается из-за дополнительных аэродинамических ограничений, наложенных на установку средней точности.
При более точном отклике от модели установки БПЛА теперь можно тестировать алгоритмы планирования пути или наведения для следования ППМ с моделью средней точности. В этом примере обеспеченные ППМ имеют крутой коэффициент усиления 100 м от первого до второго ППМ, за которым следует небольшой коэффициент усиления 50 м между двумя последними ППМ.
Для моделирования и визуализации траектории БПЛА средней точности, следующей за моделью, щелкните ярлык Simulate Path Follower в группе Medium Fidelity инструментальной полосы проекта. FidelityPathFollowing модель настраивает толкатель ППМ на БПЛА. Дополнительные сведения см. в разделе Настройка следящего устройства ППМ для БПЛА с фиксированным крылом.
Обратите внимание, что БПЛА средней точности точно следует по нужному пути.
После разработки алгоритма управления высокого уровня и повторителя ППМ с моделью средней точности этот пример иллюстрирует, что моделирование большей динамики может привести к иному отклику БПЛА на определенные команды. Добавление новой динамики исполнительного механизма может привести к задержке отклика при вводе любого шага или крена. Эта задержка в ответ может потребовать от вас проектирования подъемника тангажа и контроллера крена элерона. Ограничением модели точечной массы является то, что она предполагает нулевое боковое скольжение. На следующих шагах вы смоделируете контроллер с более высокой точностью, ненулевую динамику боковины, и добавьте цикл компенсации рыскания, чтобы сбалансировать этот эффект.
Завод высокого качества моделирует самолет с помощью блока 6-DOF, добавляет бортовые датчики и моделирует погоду для окружающей среды. В модели повторно используется контроллер внешнего контура, использующий PID-настройку. Реакция модели более высокой точности должна подтверждать, что средняя точность предоставляет полезную промежуточную информацию.
Чтобы смоделировать и визуализировать отклик шага высокой точности, щелкните ярлык Simulate Plant в группе High Fidelity панели инструментов проекта.
Обратите внимание, что траектория хорошо совпадает с моделью средней точности, несмотря на дополнительную сложность. Также обратите внимание на то, что проектные характеристики относительно одинаковы для этапа высокой точности, что свидетельствует о точности моделирования динамики БПЛА на установке средней точности.
Наконец, протестировать алгоритм наведения с помощью установки высокой точности, чтобы получить окончательный путь БПЛА по следующим характеристикам. Щелкните ярлык «Имитировать траекторию» (Simulate Path Follower) в группе «Высокая точность» (High Fidelity) инструментальной полосы проекта.
Обратите внимание, что модель получает аналогичный отклик на модель средней точности с использованием параметров управления и управления внешним контуром.
Модель средней точности точно предсказывала динамику БПЛА, используя параметры ранней стадии, имеющиеся при проектировании. В этом примере был разработан контроллер и настроен повторитель ППМ без необходимости установки высокой точности. Разделение автопилота и динамики растений позволило более плавный переход от низкой к средней точности. Этот подход может быть расширен путем добавления динамики исполнительного механизма к модели средней точности в качестве еще одного промежуточного шага.