本发明专利技术公开了一种基于非线性数学模型的通用型无人机非线性模型构建方法，同时涉及一种用于实现该构建方法的系统。所述的方法主要包括模型解算、双坐标系支持和CMEX封装三个方法模块，所述的系统包括仿真系统输入模块、进行无人机运动状态初始化的初始化模块、状态量导数解算模块、状态量更新模块、辅助物理量计算模块和仿真系统输出模块。本发明专利技术的方法及系统把更多的工作交给计算机，只需用户输入外力和外力矩，即可得到完备的无人机的物理量，使用简单、方便。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种无人机数学模型的构建方法，尤其涉及一种通用的无人机非线性模型构建方法，同时涉及一种用于实现该构建方法的系统。
技术介绍
在无人机飞行控制律设计和验证的过程中，六自由度非线性数学模型的建立是前提和基础。一般无人机的数学模型建立的过程中，首先选择适当的坐标系；其次根据无人机当前迎角和侧滑角从吹风数据中获得气动导数，计算气动力和力矩，结合发动机模型和重力场模型，求得无人机合外力与合外力矩；然后在此基础上根据六自由度动力学和运动学方程，求取无人机状态量导数；接着通过数值积分解算，更新无人机的状态；最终利用新的状态计算所需要的其他物理量。这种建模方法存在三个方面的不足 第一，当对不同型号无人机构建其非线性数学模型时，由于气动外形的差异，导致气动力和力矩的求取不同，它们的建模需都要重复上述过程，过程复杂，建模效率低，周期较长；第二，针对苏联坐标系和欧美坐标系这两种不同的坐标系定义方式，原有的建模方法需要分别建模，无法同时支持两种坐标系；第三，通常无人机控制律在MATLAB环境完成设计，而半物理仿真程序则是用C语言开发，二者都依赖于无人机非线性数学模型，需要用M语言和C语言分别编程实现无人机非线性模型，加大了建模的工作量。
技术实现思路
技术问题本专利技术要解决的技术问题是提供一种不受无人机型号限制、进行通用数学模型构建的方法，该方法可用于不同型号的无人机在不同坐标系和不同开发环境下的建模，同时亦提供一种用于实现该方法的通用型无人机非线性数学模型构建系统。技术方案为了解决上述的技术问题，本专利技术的通用型无人机非线性数学模型构建方法包括下列步骤步骤一调用仿真系统通用模型软件提供的用户接口函数，初始化无人机的运动状态；步骤二 设置无人机的质量和转动惯量，并向仿真系统输入无人机所受不含重力的外力和外力矩；步骤三根据面对称刚体六自由度运动模型计算无人机状态量导数，以平面大地为惯性系，在苏联坐标系下进行解算线动力学方程权利要求1.一种基于非线性数学模型的通用型无人机仿真方法，其特征在于，包括下列步骤 步骤一调用仿真系统通用模型软件提供的用户接口函数，初始化无人机的运动状态； 步骤二 设置无人机的质量和转动惯量，并向仿真系统输入无人机所受不含重力的外力和外力矩； 步骤三根据面对称刚体六自由度运动模型计算无人机状态量导数，以平面大地为惯性系，在苏联坐标系下进行解算 线动力学方程2.如权利要求I所述的基于非线性数学模型的通用型无人机仿真方法，其特征在于，可支持所有面对称无人机运动的仿真。3.如权利要求I所述的基于非线性数学模型的通用型无人机仿真方法，其特征在于，可同时支持两种坐标系下的仿真。4.如权利要求I所述的基于非线性数学模型的通用型无人机仿真方法，其特征在于，可同时支持C语言环境和MATLAB环境下的仿真。5.一种用于实现权利要求I所述方法的系统，其特征在于，包括 仿真系统输入模块(I)； 进行无人机运动状态初始化的初始化模块(2); 状态量导数解算模块(3)； 状态量更新模块(4)； 辅助物理量计算模块(5)； 仿真系统输出模块(6)； 其中，无人机状态参数通过仿真系统输入模块(I)输入初始化模块(2)，初始化模块(2)对无人机初始状态信息进行处理并将处理结果输入初始化状态量更新模块(4);无人机所受不含重力的外力和外力矩通过仿真系统输入模块(I)输入状态量导数解算模块(3)，状态量导数解算模块(3)解算得到状态量导数，并输出至状态量更新模块(4);状态量更新模块(4)更新运动状态，将新的值输出至辅助物理量计算模块(5);状态量导数解算模块(3)、状态量更新模块(4)、辅助物理量计算模块(5)的输出结果通过仿真系统输出模块(6)提供给用户使用。全文摘要本专利技术公开了一种基于非线性数学模型的通用型无人机非线性模型构建方法，同时涉及一种用于实现该构建方法的系统。所述的方法主要包括模型解算、双坐标系支持和CMEX封装三个方法模块，所述的系统包括仿真系统输入模块、进行无人机运动状态初始化的初始化模块、状态量导数解算模块、状态量更新模块、辅助物理量计算模块和仿真系统输出模块。本专利技术的方法及系统把更多的工作交给计算机，只需用户输入外力和外力矩，即可得到完备的无人机的物理量，使用简单、方便。文档编号G05B17/02GK102945002SQ201210398129公开日2013年2月27日 申请日期2012年10月18日 优先权日2012年10月18日专利技术者孙春贞, 彭夏鹏, 黄一敏 申请人:南京航空航天大学本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种基于非线性数学模型的通用型无人机仿真方法，其特征在于，包括下列步骤：步骤一：调用仿真系统通用模型软件提供的用户接口函数，初始化无人机的运动状态；步骤二：设置无人机的质量和转动惯量，并向仿真系统输入无人机所受不含重力的外力和外力矩；步骤三：根据面对称刚体六自由度运动模型计算无人机状态量导数，以平面大地为惯性系，在苏联坐标系下进行解算：线动力学方程：V.x=Vzωy-Vyωz+Fx/m+GxV.y=Vxωz-Vzωx+Fy/mGyV.x=Vyωx-Vxωy+Fz/m+Gz---(1)角动力学方程：ω.x=IyyMx+IxyMy-Ixy(Ixx-Iyy+Izz)ωxωz+(IyyIyy+IxyIxy-IyyIzz)ωyωzIxxIyy-IxyIxyω.y=IxxMy+IxyMx+Ixy(Ixx-Iyy+Izz)ωyωz-(IxxIxx+IxyIxy-IxxIzz)ωxωzIxxIyy-IxyIxyω.z=Mz-(Iyy-Ixx)ωxωy+Ixy(ωxωx-ωyωy)Izz---(2)线运动学方程：x.g=Vxcosψcosυ+Vy(sinψsinγ-cosψsinυcosγ)+Vz(sinψcosγ+cosψsinυsinγ)h.g=Vxsinυ+Vycosυcosγ-Vzcosυsinγz.g=-Vxsinψcosυ+Vy(cosψsinγ+sinψsinυsin)+Vz(cosψcosγ-sinψsinυsinγ)---(3)角运动学方程：υ.=ωysinγ+ωzcosγγ.=ωx-tanυ(ωycosγ-ωzsinγ)ψ.=(ωycosγ-ωzsinγ)/cosυ---(4)其中，Fx、Fy、Fz为外力沿机体轴的分量，其中的外力不含无人机重力；Mx、My、Mz为外力矩沿机体轴的分量；Gx、Gy、Gz为重力加速度沿机体轴的分量；m为无人机质量；Ixx、Iyy、Izz、Ixy、分别是无人机沿机体轴向的转动惯量和惯性积；Vx、Vy、Vz为地速沿机体轴的分量；xg、hg、zg为分别是无人机北向、天向和东向的位移；ωx、ωy、ωz为绕机体轴转动的角速率沿机体轴的分量；υ、γ、ψ为俯仰角、滚转角、偏航角；步骤四：使用Adams数值积分算法更新无人机状态量，yn+4=yn+3+h24(55y.n+3-59y.n+2+37y.n+1-9y.n)---(5)截断误差为其中：h表示仿真步长；分别表示第n+3、n+2、n+1、n时刻的导数；yn+4、yn+3分别表示n+4、n+3时刻的值；步骤五：在仿真系统中内置风模型，根据用户设置的风速，合成空速：Ve2wind=Ve-Vwind_eVn2wind=Vn-Vwind_nVu2wind=Vu-Vwind_u---(6)其中：Ve、Vn、Vu分别是无人机地速在东向、北向、天向的分量；Vwind_e、Vwind_n、Vwind_u分别是气流的东向速度、北向速度、天向速度；Ve2wind、Vn2wind、Vu2wind分别是空速在东向、北向、天向的分量；步骤六：根据步骤四得到的无人机状态量和步骤五得到的空速，在标准大气模型、重力场模型的基础上，计算空速、气流角、动压等辅助量；1962年美国标准大气：ρ查1962年标准大气表????????????????(7)Vsonic查1962年标准大气表????????????(8)σ=ρρsea_level---(9)He＝3.2808×H???????????????????????(10)Ts=0.55556×518.7×(1.0-6.875e-6×H...
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：孙春贞，彭夏鹏，黄一敏，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：
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