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手把手教你学simulink(11.1)--Simulink 航空航天场景实例:基于Simulink的无人机飞行控制系统设计与仿真

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目录

项目实例:基于Simulink的无人机飞行控制系统设计与仿真

项目背景

项目目标

技术选型

项目实施步骤

1. 系统建模

2. 控制器设计

3. 传感器建模

4. 仿真验证

5. 性能优化

项目总结


基于Simulink在航空领域的实际应用案例中进行项目开发实例研究, 重点将致力于开发一个用于无人机(UAV)的飞行控制系统设计与仿真方案. 具体而言, 该项目旨在设计并实现针对无人机(UAV)的应用型飞行控制系统, 以确保系统的稳定性和导航精度为指导目标.

项目实例:基于Simulink的无人机飞行控制系统设计与仿真

项目背景

无遥控飞行器(UAV)在军事、民用及商业领域拥有广泛用途,并涵盖侦察、监测、物流以及农业等多个方面。实现其自主飞行与精确导航的关键在于构建高效的 flight control system. Simulink 是一款功能强大的 modeling 和 simulation 工具,在复杂系统中应用广泛. 本项目将采用 Simulink 对无人机的 flight control system 进行 modeling 和 simulation 工作.

项目目标
  • 动态模型构建 :完成无人机动力学方程式的研究与求解。
  • 控制算法开发 :研发基于PID的鲁棒控制系统及混合式智能控制系统。
  • 感知模型构建 :研究并构建无人机上各类感知设备的数学模型。
  • 模拟实验中验证 :在仿真实验中对飞行控制系统的关键性能指标进行评估。
  • **参数调试阶段...
技术选型
  • 软件平台:MATLAB/Simulink
  • 动态系统建模:无人机动态特性建模
  • 控制算法:基于PID和LQR的多种控制算法
  • 感觉装置:MEMS陀螺仪、三轴加速度计及GPS定位模块等
  • 仿真平台:Simulink仿真环境
项目实施步骤
1. 系统建模

建立无人机的动力学模型,包括刚体运动方程和控制输入。

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Matlab

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 % 无人机动力学模型

    
 function dxdt = drone_dynamics(t, x, u)
    
     % 状态向量 x = [x, y, z, vx, vy, vz, phi, theta, psi]
    
     % 控制输入 u = [Fx, Fy, Fz, Mx, My, Mz]
    
  
    
     g = 9.81; % 重力加速度
    
     m = 1.5;  % 无人机质量
    
     Ixx = 0.1; % 惯性矩
    
     Iyy = 0.1;
    
     Izz = 0.1;
    
  
    
     % 解包状态向量
    
     x_pos = x(1);
    
     y_pos = x(2);
    
     z_pos = x(3);
    
     vx = x(4);
    
     vy = x(5);
    
     vz = x(6);
    
     phi = x(7);
    
     theta = x(8);
    
     psi = x(9);
    
  
    
     % 解包控制输入
    
     Fx = u(1);
    
     Fy = u(2);
    
     Fz = u(3);
    
     Mx = u(4);
    
     My = u(5);
    
     Mz = u(6);
    
  
    
     % 计算位置和速度导数
    
     dxdt = zeros(9, 1);
    
     dxdt(1) = vx;
    
     dxdt(2) = vy;
    
     dxdt(3) = vz;
    
     dxdt(4) = (1/m) * (Fx + m * g * sin(theta));
    
     dxdt(5) = (1/m) * (Fy - m * g * sin(phi) * cos(theta));
    
     dxdt(6) = (1/m) * (Fz - m * g * cos(phi) * cos(theta));
    
  
    
     % 计算姿态角导数
    
     p = (1/Ixx) * (Mx - (Iyy - Izz) * sin(phi) * cos(phi) * theta * psi);
    
     q = (1/Iyy) * (My - (Izz - Ixx) * sin(phi) * cos(phi) * phi * psi);
    
     r = (1/Izz) * (Mz - (Ixx - Iyy) * sin(phi) * cos(phi) * phi * theta);
    
  
    
     dxdt(7) = p + sin(phi) * tan(theta) * q + cos(phi) * tan(theta) * r;
    
     dxdt(8) = cos(phi) * q - sin(phi) * r;
    
     dxdt(9) = (sin(phi) / cos(theta)) * q + (cos(phi) / cos(theta)) * r;
    
 end
    
    
    
    
    代码解读
2. 控制器设计

设计PID控制器和其他控制策略,以实现稳定的飞行和精确的导航。

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Matlab

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 % PID控制器

    
 function u = pid_controller(error, Kp, Ki, Kd, dt, integral, prev_error)
    
     integral = integral + error * dt;
    
     derivative = (error - prev_error) / dt;
    
     u = Kp * error + Ki * integral + Kd * derivative;
    
 end
    
    
    
    
    代码解读
3. 传感器建模

建模无人机上的传感器,如陀螺仪、加速度计和GPS。

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 % 陀螺仪模型

    
 function gyro_output = gyro_model(omega, noise_std)
    
     gyro_output = omega + randn(size(omega)) * noise_std;
    
 end
    
  
    
 % 加速度计模型
    
 function acc_output = acc_model(acc, noise_std)
    
     acc_output = acc + randn(size(acc)) * noise_std;
    
 end
    
  
    
 % GPS模型
    
 function gps_output = gps_model(position, noise_std)
    
     gps_output = position + randn(size(position)) * noise_std;
    
 end
    
    
    
    
    代码解读
4. 仿真验证

在Simulink中搭建仿真模型,验证飞行控制系统的性能。

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Matlab

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 % 创建Simulink模型

    
 model = 'drone_control_system';
    
 open_system(model);
    
  
    
 % 添加子系统
    
 add_block('simulink/Sources/Step', [model '/Reference']);
    
 add_block('simulink/Continuous/Integrator', [model '/State Integrator']);
    
 add_block('simulink/User-Defined Functions/MATLAB Function', [model '/Drone Dynamics']);
    
 add_block('simulink/Continuous/PID Controller', [model '/PID Controller']);
    
 add_block('simulink/Sinks/Scope', [model '/Output Scope']);
    
  
    
 % 连接模块
    
 connect_lines([model '/Reference'], [model '/PID Controller']);
    
 connect_lines([model '/PID Controller'], [model '/Drone Dynamics']);
    
 connect_lines([model '/Drone Dynamics'], [model '/State Integrator']);
    
 connect_lines([model '/State Integrator'], [model '/PID Controller']);
    
 connect_lines([model '/Drone Dynamics'], [model '/Output Scope']);
    
  
    
 % 设置参数
    
 set_param([model '/PID Controller'], 'P', '1.0');
    
 set_param([model '/PID Controller'], 'I', '0.1');
    
 set_param([model '/PID Controller'], 'D', '0.05');
    
  
    
 % 运行仿真
    
 sim(model);
    
    
    
    
    代码解读
5. 性能优化

优化控制器参数,提高系统的稳定性和响应速度。

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 % 优化PID控制器参数

    
 Kp = 1.0;
    
 Ki = 0.1;
    
 Kd = 0.05;
    
  
    
 % 使用遗传算法优化参数
    
 options = optimoptions('ga', 'Display', 'iter', 'PopulationSize', 50, 'MaxGenerations', 100);
    
 [x, fval] = ga(@(x) -performance_metric(x(1), x(2), x(3)), 3, [], [], [], [], [0, 0, 0], [10, 10, 10], options);
    
  
    
 Kp = x(1);
    
 Ki = x(2);
    
 Kd = x(3);
    
    
    
    
    代码解读

项目总结

通过上述项目实例, 我们完成了基于Simulink的无人机飞行控制系统的方案设计与系统仿真的工作. 本项目涵盖了从系统建模到仿真验证及性能优化的整体流程. 该软件平台充分展现了Simulink在复杂系统开发中的强大应用价值

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