无人飞艇系统仿真研究

飞艇目标跟踪制导研究与仿真导航、制导、控制（GNC）技术是飞控系统的核心技术。

三个环节分别解决了”在哪儿”、”去哪儿”、”怎么去”的问题。

本文详细介绍了制导律设计的问题，并根据某飞艇模型进行了仿真。

标签：制导率、目标跟踪、飞艇、仿真0 引言GNC技术是控制系统的核心技术，广泛应用于航空、航天、船舶、汽车等运动物体的自主控制[1]。

对于飞艇而言，导航指飞艇在地坐标系下获得当前的位置、速度、姿态、姿态角速度等状态信息；制导指飞艇主动发现或者人为输入期望的位置或速度信息，并根据当前状态、自身性能约束和外界环境约束，获得所需的控制指令；控制指飞艇通过推进器或者舵面等执行机构，改变自身姿态、速度等状态量，完成控制指令。

导航、制导和控制三个环节分别解决了飞艇”在哪儿”、”去哪儿”、”怎么去”的问题。

本文主要针对飞艇航线跟踪制导率的问题做了分析和仿真。

1 制导律所谓制导律，指飞艇飞向目标的过程中，飞艇和目标之间应满足的关系[2]。

为了使飞艇穩定而准确地跟踪目标，制导系统必须及时准确地提供制导信号，这个信号决定了飞艇的运动轨迹。

2航点跟踪目标追综指飞艇在向目标飞行的过程中，飞艇运动的速度向量V时刻指向目标，即制导方程为：3航线跟踪建立如图2所示坐标系。

航线跟踪的方法是提前设计路径，给出每一时刻的状态信息[3，4，5]。

制导设计满足条件：1）飞艇平面运动受到直接控制。

垂直方向的位置运动可以通过改变重浮力大小来控制；由于浮空器是自稳定系统，俯仰运动方向不需要额外控制即可保持稳定。

2）保证飞艇稳定在某一平面内，姿态角保持稳定，即，以及。

3）飞艇在指定路径上运动，。

考虑平面运动：由于浮空器是一个自稳定模型，浮空器俯仰运动和滚转运动单独控制，根据公式，令=0，=0 ，可知欠驱动浮空器在惯性坐标系ERF中的速度与机体坐标系BRF中的速度之间的关系：结束语：本文研究了飞艇控制系统中的制导率设计。

详细介绍了航点跟踪和航线跟踪的方法，并对控制方法的有效性和鲁棒性予以证明。

飞艇系留系统静态与动态仿真研究飞艇系留系统静态与动态仿真研究摘要：本文基于飞艇系留系统的相关技术和理论，运用计算机仿真技术，对其静态与动态进行了建模和仿真研究，在此基础上对系统建立了数学模型，并通过仿真实验验证了模型的正确性和可靠性。

本研究为飞艇系留系统的相关研究提供了实用性的参考与指导。

关键词：飞艇系留系统；静态；动态；仿真研究一、前言随着国防和民用领域的不断深入发展，飞艇系留技术在现代化国防和军事装备领域如战术侦察、监视、通讯、控制、应急救援等应用价值广泛。

飞艇系留系统是指在飞艇上采用一种特殊的设备，通过绳索或钢索将地面工作设备悬挂在空中，并通过飞艇的平衡能力，确保悬挂的地面工作设备在一定高度、位置、角度安全、稳定地悬挂在空中。

飞艇系留技术对于改善地面通信和数据传输，保障公共安全，提高国家安全水平等具有非常重要的意义。

为了更好地研究飞艇系留技术，本文在以往相关研究的基础上，引入了计算机仿真技术，对飞艇系留系统的静态与动态进行了建模和仿真研究。

本文旨在研究飞艇系留系统在不同工作环境下的空气动力学特性，同时建立相应的数学模型，为飞艇系留技术的进一步优化和性能提升提供实用性的参考与指导。

二、飞艇系留系统建模1. 飞艇系留系统的外形尺寸、质量和飞行特性。

首先，对于飞艇系留系统的外形尺寸、质量和飞行特性进行建模，包括飞艇的长度、宽度、高度、质量、受力和飞行稳定性等参数。

由于飞艇系留技术在不同工作环境下具有不同的空气动力学特性，因此在建模过程中需要考虑风向、风速、天气等因素的影响。

2. 系留装置模型。

然后，对飞艇系留系统中的系留装置进行建模，包括绳索或钢索、飞艇的挂架、滑轮、牵引机构和传感器等部分。

其中传感器具有实时监测系统状态、控制飞机姿态等功能。

3. 地面工作设备模型。

最后，对于飞艇系留技术的应用，需要建立相应的地面工作设备模型。

地面工作设备分为动力源、传感器和数据处理设备，通过绳索或钢索和系留装置连接起来，悬浮在空中，实现对地面的通信和控制操作。

无人机电磁仿真系统设计解决方案[键入文档副标题]2016/1/25目录无人机电磁仿真系统设计解决方案 (4)1.无人机的现状与未来发展 (4)1.1工程仿真的重要角色 (6)1.2电磁、结构、流体的多物理场仿真 (6)1.2.机载雷达同无人机的一体化设计仿真 (10)2.1整机电磁兼容设计 (12)2.2整机天线布局设计 (12)2.2.1整机天线布局仿真需求 (12)2.2.2ANSYS针对整机天线布局的功能特点 (12)2.2.3整机天线布局仿真实例 (13)2.3系统级射频干扰仿真平台EMIT (15)2.3.1多系统共址的射频干扰冗余度计算 (16)3.1机载射频系统设计 (19)3.1.1综合射频系统仿真 (20)3.1.2雷达系统仿真 (21)3.1.3通信系统仿真 (22)4.1.无人机的隐身设计 (23)4.1.1复杂飞行器的外形隐身设计与RCS仿真 (24)4.1.2介质涂覆材料的隐身设计及仿真 (24)4.1.3复合材料的隐身特性仿真 (25)4.1.4天线（阵）的RCS仿真 (26)4.1.5天线罩的RCS仿真 (27)4.1.6FSS与天线罩的RCS计算 (27)4.1.7缩减RCS设计与超宽带RCS (28)5.1雷电防护 (29)5.1.1雷电防护技术背景 (29)5.1.2雷电防护仿真需求 (29)5.1.3雷电防护仿真实例 (30)6.1多物理场耦合分析仿真实例 (34)7.ANSYS 电磁仿真软件简介 (38)7.1ANSYS HFSS 高频三维电磁场分析软件 (38)7.2ANSYS Q3D Extractor 三维模型寄生参数抽取软件 (39)7.3Ansoft Designer 电路• 系统• 电磁场综合设计环境 (39)7.4EMIT系统级射频干扰仿真平台 (40)7.5ANSYS SIwave应用于PCB 板、BGA 封装的SI、PI、EMI 分析软件 (41)7.6ANSYS Maxwell 二维/ 三维电磁场分析软件 (42)7.7ANSYS Simplorer 用于机电系统的电路和系统仿真工具 (42)7.8ANSYS RMxprt 旋转电机设计专家 (43)7.9ANSYS PExprt变压器，电感辅助设计工具 (44)7.10ANSYS Optimetrics (44)7.11DesignXplorer 多目标优化工具 (45)7.12HPC Option 高性能计算选项 (46)7.13ECAD Translators ( AnsoftLinks ) (46)7.14MCAD Translators ( AnsoftLinks ) (47)无人机电磁仿真系统设计解决方案1.无人机的现状与未来发展无人机（UAV）先后经历了无人靶机、预编程序控制无人侦察机、指令遥控无人侦察机和复合控制多用途无人机等发展阶段，目前已经发展到了无人作战飞机系统（UAS）。

无人机系统仿真设计解决方案一想起无人机系统仿真设计，我脑海中立刻浮现出那复杂而又精妙的世界。

无人机，这个曾经只存在于科幻小说中的产物，如今已经渗透到了我们生活的方方面面。

那么，如何设计一套完善的无人机系统仿真解决方案呢？下面，我就用我十年的方案写作经验，为大家详细解答。

我们得明确无人机系统仿真的目标。

无人机系统仿真不仅仅是模拟无人机的飞行，还包括了无人机的控制、导航、通信、任务规划等多个方面。

所以，在设计解决方案时，我们要全面考虑这些因素。

1.仿真平台的选择在选择仿真平台时，我们要考虑到无人机的种类和仿真任务的需求。

目前市面上主流的仿真平台有MATLAB/Simulink、ANSYS、X-Plane 等。

MATLAB/Simulink适合进行算法研究和系统级仿真，ANSYS则擅长于结构分析和动力学仿真，而X-Plane则更侧重于飞行性能的仿真。

2.仿真模型的建立我们要建立无人机的仿真模型。

这个模型应该包括无人机的动力学模型、控制模型、导航模型、通信模型等。

在建立模型时，我们要尽量简化，抓住主要因素，忽略次要因素。

比如，在动力学模型中，我们可以忽略无人机的弹性变形，将其视为刚体。

3.仿真参数的设置在仿真参数设置方面，我们要根据无人机的实际参数来设置。

这些参数包括无人机的质量、惯性矩、翼载、推力等。

还要设置环境参数，如风速、温度、湿度等。

这些参数的设置将直接影响到仿真结果的准确性。

4.仿真流程的设计（1）初始化：设置仿真起始时间、仿真步长等。

（2）输入：设置无人机的初始状态、控制指令等。

（3）仿真：根据动力学模型、控制模型等，计算无人机的状态变化。

（4）输出：记录无人机的状态数据，用于后续分析。

（5）终止：判断仿真是否达到预设的终止条件。

5.仿真结果的分析仿真结束后，我们要对仿真结果进行分析。

这包括无人机的飞行轨迹、稳定性、控制性能等方面。

通过分析仿真结果，我们可以发现无人机系统存在的问题，并进行优化。

飞艇高可信度CFD技术研究摘要在飞行器的CFD计算中，计算网格的类型、网格数量、网格质量以及求解时湍流模型的选取，对计算效率和计算结果的准确度有着决定性的影响。

本文分别从计算网格类型、网格数量以及湍流模型三方面入手，通过CFD计算与试验值对比分析，得出了适用于飞艇气动特性计算的CFD方法。

研究结果表明，采用笛卡尔网格、1/120网格单元尺寸比、SST k-w湍流模型可以得到高可信度的飞艇CFD计算结果。

关键字：CFD、计算网格、湍流模型1概述飞艇等低速飞行器的性能受风场和其它外界因素影响很大，在设计阶段，需要得到其全面的气动特性，为后续设计提供指导。

随着计算流体力学和计算机技术的高速发展，应用CFD软件对飞艇的气动特性进行计算，并通过后期的风洞试验假以验证，从而得到可靠的气动数据是现在飞艇设计研究的一般方法。

在进行CFD仿真计算时，针对具体的几何外形，计算网格类型的选用、计算域网格数量的确定以及计算湍流模型的选取对最终计算结果的准确性和计算效率具有极大的影响，因此，针对这几方面开展研究是很有必要的。

1.1网格类型简介目前主流的计算网格类型包括结构网格、非结构网格和笛卡尔网格（图1）。

结构网格可以很容易地实现区域的边界拟合，网格生成速度快、网格质量好、数据结构简单；但结构网格的适用范围窄，针对复杂外形网格划分过程复杂、对操作人员经验要求高，难度大，耗时长。

非结构网格多件三角形网格和四面体网格，采用随机的数据结构有利于网格自适应；网格划分相对简单，但单元网格的正交性较结构网格差，计算精度和收敛速度均低于结构网格。

笛卡尔网格为六面体贴体网格，网格生成过程中不需预先生成严格规定的某种物面网格，生成过程统一，不需要人为干预，相比于结构网格和非结构网格，是真正的自动化网格，但其网格生成算法导致切割过程中可能形成微小的网格单元，造成方程系统的刚性问题。

图1三种网格类型1.2网格数量对CFD计算的影响计算域内的网格数量，直接决定了求解的代数方程组的数量，并直接影响仿真计算的准确度和求解计算的耗时。

第27卷　第1期　2009年2月飞　行　力　学FL I GHT D YNAM ICSV ol .27　N o .1Feb .2009　收稿日期:2008201229;修订日期:2008208217作者简介:王海峰(19712),男,陕西麟游人,讲师,研究方向为高空飞艇总体设计和仿真;宋笔锋(19632),男,陕西凤翔人,博士生导师,研究方向为飞行器设计。

飞艇运动建模与仿真验证王海峰,宋笔锋,钟小平(西北工业大学航空学院,陕西西安710072) 摘　要:在研究临近空间浮空器的过程中,设计了一种低空实验飞艇。

为了评价该飞艇的稳定性和操纵性,建立了飞艇的六自由度运动方程数学模型,使用Matlab /Si m ulink 软件完成了飞艇飞行仿真软件设计。

另外采用Flightgear 作为飞行仿真视景软件,设计飞行仿真软件驱动视景软件的网络接口程序。

利用飞行仿真软件,进行了该低空飞艇运动的仿真验证。

仿真结果表明,软件达到了预定的设计目标,该实验飞艇方案可行,安定面和推进动力配置基本合理。

关　键　词:临近空间;浮空器;飞艇;飞行仿真 中图分类号:V274 文献标识码:A 文章编号:100220853(2009)0120031205引言 临近空间浮空器在20～30k m 的高度上长时间保持相对于地球的准定点,飞行器需要利用推进动力克服平流层水平方向的大气风阻力。

目前由于太阳电池和再生燃料电池效率很低,能源系统提供的能量很有限,要保证浮空器长时间在预定地点停留,这样不仅对能源系统和推进动力提出了很大的挑战,同时也对浮空器自主飞行控制能力提出了很高要求[1]。

为了对临近空间浮空器进行深入研究,探讨各种方案的优劣,分析飞行性能与飞行品质,本文对飞艇的运动仿真进行了研究,设计了飞行仿真软件和视景系统。

最后,针对设计的一种低空实验飞艇方案,进行了初步的仿真验证。

结果表明,软件设计达到了预定的目标,此实验飞艇方案可行,构型配置合理。

无人机电磁仿真系统设计解决方案[键入文档副标题]2016/1/25目录无人机电磁仿真系统设计解决方案 (5)1.无人机的现状与未来发展 (5)1.1工程仿真的重要角色 (7)1.2电磁、结构、流体的多物理场仿真 (7)1.2.机载雷达同无人机的一体化设计仿真 (11)2.1整机电磁兼容设计 (13)2.2整机天线布局设计 (13)2.2.1整机天线布局仿真需求 (13)2.2.2ANSYS针对整机天线布局的功能特点 (13)2.2.3整机天线布局仿真实例 (14)2.3系统级射频干扰仿真平台EMIT (16)2.3.1多系统共址的射频干扰冗余度计算 (17)3.1机载射频系统设计 (20)3.1.1综合射频系统仿真 (21)3.1.2雷达系统仿真 (22)3.1.3通信系统仿真 (23)4.1.无人机的隐身设计 (24)4.1.1复杂飞行器的外形隐身设计与RCS仿真 (25)4.1.2介质涂覆材料的隐身设计及仿真 (25)4.1.3复合材料的隐身特性仿真 (26)4.1.4天线（阵）的RCS仿真 (27)4.1.5天线罩的RCS仿真 (28)4.1.6FSS与天线罩的RCS计算 (28)4.1.7缩减RCS设计与超宽带RCS (29)5.1雷电防护 (30)5.1.1雷电防护技术背景 (30)5.1.2雷电防护仿真需求 (30)5.1.3雷电防护仿真实例 (31)6.1多物理场耦合分析仿真实例 (35)7.ANSYS 电磁仿真软件简介 (39)7.1ANSYS HFSS 高频三维电磁场分析软件 (39)7.2ANSYS Q3D Extractor 三维模型寄生参数抽取软件 (40)7.3Ansoft Designer 电路• 系统• 电磁场综合设计环境 (40)7.4EMIT系统级射频干扰仿真平台 (41)7.5ANSYS SIwave应用于PCB 板、BGA 封装的SI、PI、EMI 分析软件 (42)7.6ANSYS Maxwell 二维/ 三维电磁场分析软件 (43)7.7ANSYS Simplorer 用于机电系统的电路和系统仿真工具 (43)7.8ANSYS RMxprt 旋转电机设计专家 (44)7.9ANSYS PExprt变压器，电感辅助设计工具 (45)7.10ANSYS Optimetrics (45)7.11DesignXplorer 多目标优化工具 (46)7.12HPC Option 高性能计算选项 (47)7.13ECAD Translators ( AnsoftLinks ) (47)7.14MCAD Translators ( AnsoftLinks ) (48)无人机电磁仿真系统设计解决方案1.无人机的现状与未来发展无人机（UAV）先后经历了无人靶机、预编程序控制无人侦察机、指令遥控无人侦察机和复合控制多用途无人机等发展阶段，目前已经发展到了无人作战飞机系统（UAS）。

1 绪论本章先主要介绍了无人机进无人机的特点，国内外研究现状和发展趋势及这篇文章的主要内容安排。

1.1无人机概述无人机即无人驾驶飞机，也称为遥控驾驶飞行器，是机上没有驾驶员，靠自身程序控制装置操纵，自动飞行或者由人在地面或母机上进行遥控的无人驾驶飞行器，在它上面装有自动驾驶仪、程序控制系统、遥控与遥测系统、自动导航系统、自动着陆系统等，通过这些系统实现远距离控制飞行。

无人机大体上由无人机载体、地面站设备(无线电控制、任务控制、发射回收等起降装置)以及有效负荷三部分组成。

无人机在航空业已有一百年的历史了。

第一驾遥控航模飞机于1909年在美国试飞成功。

1915年10月德国西门子公司研制成功采用伺服控制装置和指令制导的滑翔炸弹，它被公认为有控的无人机的先驱。

世界上第一架无人机是英国人于1917年研制的。

这是一架无线电操纵的小型单翼机，由于当时的许多技术问题，所以试验失败。

一直到1921年英国才研制成可付诸实用的第一驾靶机。

1918年德国也研制成第一驾无人驾驶的遥控飞机。

1920年简氏《世界各地飞机》首次提到无人机。

20世纪30年代初无线电操纵的无人靶机研制成功。

在20世纪40至50年代，无人机逐渐得到了广泛使用，但这时主要是作为靶机使用。

世界各国空军于20世纪50年代大量装备了无人驾驶飞机作为空靶。

进入20世纪60年代后，美国出于冷战需要，将无人机研究重点放在侦察用途方面，这标志着无人机技术开始进入了以应用需求为牵引的快速发展时代。

由于无人机具有低成本、零伤亡、可重复使用和高机动等优点,因此深受世界各国军队的广泛欢迎，近年来得到了快速发展。

对于无人机而言，其自动飞行控制系统的设计是至关重要的，它的优劣程度直接影响到无人机各项性能(包括起飞着陆性能、作业飞行性能、飞行安全可靠性能、系统的自动化性和可维护性等)。

因此，研究无人机的自动飞行控制技术具有十分重要的现实意义，尤其是在军事上的重要性己经得到国内外的高度重视，而无人机飞行控制系统是无人机能够安全、有效地完成复杂战术、战略使命的基本前提，因此迫切需要加强该领域的研究工作。

水面舰艇运动仿真模型研究I. 前言1.1 研究背景与意义1.2 国内外研究现状1.3 研究目的与研究方法II. 水面舰艇运动仿真模型的建立2.1 船体运动方程的推导与分析2.2 舵面控制方程建立2.3 风浪扰动模型的建立2.4 噪声模型的建立III. 仿真模型的验证及精度分析3.1 运动数据采集与处理3.2 敏感性分析3.3 精度评价方法IV. 船艇行驶控制策略研究4.1 船舶航迹规划算法4.2 船艇动力系统控制策略4.3 船艇转向稳定性控制策略V. 实验验证5.1 实验系统设计与参数设置5.2 实验数据分析及结论5.3 实验结果的评价与分析VI. 结论与展望6.1 研究工作总结6.2 研究成果与创新点6.3 研究不足与展望6.4 研究方向的建议注：英文标题为：Research on simulation model of surface ship motionI. 前言1.1 研究背景与意义水面舰艇是现代海军的主力装备之一，具有作战、巡逻、救援等多种重要任务。

水面舰艇的运动特点往往受到水流、风浪、噪声等多种外界因素的影响，因此对其运动进行仿真研究，可以为舰艇的性能评价、控制策略制定、系统集成等方面提供重要参考和支持。

目前，国内外已有不少针对水面舰艇运动仿真模型的研究，主要集中在船体运动方程的建立、控制算法的设计和模型的精度验证等方面。

但在实际应用中，仍然存在一些问题，例如模型精度不够高、仿真效率较低等，需要进一步完善和优化。

因此，本文对水面舰艇运动仿真模型的研究具有重要的现实意义和科学价值。

1.2 国内外研究现状国外在水面舰艇运动仿真模型方面的研究已经比较成熟，主要涉及船体运动方程的建立、各种扰动因素的模拟、控制算法的设计等方面。

例如，美国、日本等发达国家的海军部门和船舶研究机构都在这方面进行了大量的研究工作，取得了一定的成果。

而国内的水面舰艇运动仿真模型研究相对落后，一些相关的研究工作主要集中在船舶气动力、流动噪声等方面，水面舰艇运动仿真模型的研究相对较少。

摘要随着船舶自动化技术的发展以及以美国为首的西方国家对无人水面船的关注,无人自主水面船技术得到了迅猛发展,目前国内外已有多种无人自主水面船被应用于军事和民用领域。

无人自主水面船最为关键的技术之一就是控制系统,控制系统的实时性和稳定性直接决定着其整体性能。

本文以PC机为硬件平台,Visual C++ 6.0为软件平台开发了无人自主水面船岸上控制系统软件,并完成了系统的调试,主要完成工作有：首先,介绍了无人自主水面船的运动学和动力学模型。

根据无人自主水面船的任务功能,完成了其控制系统的硬件设计,其主要由PC104工控机、PHINS、GPS 接收机、推力电机、调速模块、无线串口通讯模块以及岸上的PC机组成。

其次,以Visual C++ 6.0为软件平台开发了无人自主水面船岸上控制系统软件,包括用户界面的创建和功能模块的实现。

其中的功能模块具体包括串口通信模块、航行任务设定模块、监控信息处理模块、控制指令解算模块以及控制信息发送模块。

在完成软件设计之后分析了无人自主水面船与岸上部分的通信方式。

最后,完成了无人自主水面船控制系统主要模块的功能测试试验,并进行了系统硬件的联调。

关键词：无人自主水面船,Visual C++,串口通信ABSTRACTAs the automation technology of ship as well as the US-led Western countries concerned about the Unmanned AutonomousSurface Vehicles<UASVs>, the technologies of the UASVs has been rapid development. Presently there has been a variety of autonomous surface vessels were used in the field of military and civilian. The control system is one of the most critical technologies of UASVs, The real-time and stability of the control systemadirectly determine its overall performance. In this paper, with PC as the hardware platform and Visual C++ 6.0 as the software platform, it develops the UASVs ground control system software, and completes the commissioning of the system, The main tasks in this paper are:First, it devises the kinematic and dynamic models of the UASVs. According to the task of the UASVs, it completes the design of control system hardware what mainly includes the PC104 industrial computer, PHINS, GPS receiver, thrust motor, speed control module, wireless serial communication module and the ground PC machine.Secondly, with the Visual C++ 6.0 as the software platform, it develops the UASVs ground control system software what includesthe user interface creation and implementation of functional modules.The functional modules includethe serial communication module, navigation module set tasks, monitor information processing modules, control instructions and control information calculating module to send the module.After completing the software designing, it analysis the communication of unmanned ship and ground station.Finally, it completes tests of each function module of the control system of the UASVs and the commissioning of the system.KEY WORDS：theUASVs, Visual C++, serial communication目录摘要IABSTRACTII第一章绪论11.1论文的研究背景和意义11.2国内外无人水面船研究与应用现状11.2.1 国外无人水面船的研究现状11.2.2 国内无人船的研究现状21.3V ISUAL C++6.0开发环境简介21.3.1 Visual C++ 6.0 开发工具概述21.3.2 Visual C++ 6.0 主要功能特点31.3.3 Visual C++ 6.0 主框架窗口41.4MFC类库简介51.5论文的主要研究内容和结构安排6第二章无人自主水面船运动的数学模型72.1引言72.2坐标系及符号72.2.1 坐标系的选择与定义72.2.2 参数符号定义72.3运动学模型82.4动力学模型92.5水平面运动方程102.6本章小结11第三章无人自主水面船硬件控制系统设计123.1引言123.2无人自主水面船控制系统组成及工作原理123.2.1 无人自主水面船控制系统总体方案设计123.2.2 无人自主水面船控制系统工作原理133.3无人自主水面船控制系统硬件设计143.3.1 船上控制系统硬件设计143.3.2 岸上控制系统硬件设计173.3.3 RS-232C串口标准173.4本章小结18第四章无人自主水面船岸上控制系统软件设计184.1引言184.2岸上控制系统软件用户界面—对话框184.2.1 对话框的创建流程194.2.2 创建对话框资源194.2.3 创建对话框类234.3岸上控制系统软件功能模块设计264.3.1 串口通信模块274.3.2 航行任务设定模块284.3.3 监控信息处理模块294.3.4 控制指令解算模块和指控信息发送模块304.4数据的接收与保存314.5无人自主水面船与岸上PC机间的通讯324.6本章小结33第五章功能测试与硬件联调345.1引言345.2无人自主水面船船上控制系统软件简介345.3系统功能模块测试365.3.1 初始化模块测试365.3.2 GPS模块测试365.3.3 PHINS模块测试365.3.4 串口通信模块的测试375.4系统硬件联调流程385.5本章小结39第六章全文总结与展望406.1全文总结406.2研究展望40参考文献41致谢42毕业设计小结43第一章绪论1.1 论文的研究背景和意义随着船舶自动化技术的发展,无人化将成为其终极目标.从第二次世界大战无人船的出现开始,无人水面船〔USV〕虽然较无人机〔UAV〕、无人潜水器〔UUV〕、无人车辆〔UGV〕等研究起步晚,但是发展迅速.在第二次海湾战争中,无人水面船成功地完成任务,增加了美国海军对无人船的兴趣,其他欧洲国家的现代海军也相继引进无人水面船。

第４５卷第６期２０２３年１２月指挥控制与仿真ＣｏｍｍａｎｄＣｏｎｔｒｏｌ＆ＳｉｍｕｌａｔｉｏｎＶｏｌ ４５㊀Ｎｏ ６Ｄｅｃ ２０２３文章编号：１６７３⁃３８１９（２０２３）０６⁃０１１２⁃０９无人艇运动控制仿真试验训练系统设计研究刘㊀峰１，许二旭２（１．中国人民解放军９２９４１部队４３分队，辽宁葫芦岛㊀１２５０００；２．中国人民解放军９１９７６部队，广东广州㊀５１００８０）摘㊀要：针对靶场无人装备仿真试验手段缺乏问题，在构建无人艇动力学模型和运动模型的基础上，基于ＣｏｐｐｅｌｉａＳｉｍ仿真软件，设计了一套无人艇运动控制仿真试验训练系统，构建了ＰＩＤ㊁滑膜和模糊ＰＩＤ三种控制器，并采用Ｎａｖｍｅｓｈ寻路算法实现无人艇仿真平台的路径规划㊂该系统弥补了靶场无人装备仿真试验的不足，解决了无人艇模拟训练手段缺乏的难题，可为无人装备数字化试验鉴定提供基础支撑㊂关键词：无人艇；运动控制；仿真系统；控制器；路径规划中图分类号：Ｕ６６４ ８２㊀㊀㊀㊀文献标志码：Ａ㊀㊀㊀㊀ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１６７３⁃３８１９．２０２３．０６．０１７ＤｅｓｉｇｎａｎｄｒｅｓｅａｒｃｈｏｆｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｔｅｓｔｔｒａｉｎｉｎｇｓｙｓｔｅｍｆｏｒｕｎｍａｎｎｅｄｂｏａｔｍｏｔｉｏｎｃｏｎｔｒｏｌＬＩＵＦｅｎｇ１，ＸＵＥｒｘｕ２（１．Ｎａｖｙ９２９４１Ｕｎｉｔ４３ｏｆＰＬＡ，Ｈｕｌｕｄａｏ１２５０００；２．Ｕｎｉｔ９１９７６ｏｆＰＬＡ，Ｇｕａｎｇｚｈｏｕ５１００８０，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｉｍｉｎｇａｔｔｈｅｌａｃｋｏｆｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｔｅｓｔｍｅａｎｓｆｏｒｕｎｍａｎｎｅｄｅｑｕｉｐｍｅｎｔａｔｔｈｅｆｉｒｉｎｇｒａｎｇｅ，ｔｈｉｓｐａｐｅｒｄｅｓｉｇｎｓａｓｉｍ⁃ｕｌａｔｉｏｎｔｅｓｔｔｒａｉｎｉｎｇｓｙｓｔｅｍｆｏｒｕｎｍａｎｎｅｄｖｅｈｉｃｌｅｍｏｔｉｏｎｃｏｎｔｒｏｌｂａｓｅｄｏｎＣｏｐｐｅｌｉａＳｉｍｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｓｏｆｔｗａｒｅａｎｄｏｎｔｈｅｂａｓｉｓｏｆｔｈｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｏｆｕｎｍａｎｎｅｄｖｅｈｉｃｌｅｄｙｎａｍｉｃｓｍｏｄｅｌａｎｄｍｏｔｉｏｎｍｏｄｅｌ，ａｎｄｃｏｎｓｔｒｕｃｔｓｔｈｒｅｅｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒｓ，ＰＩＤ，ｓｙｎｏｖｉｕｍａｎｄｆｕｚｚｙＰＩＤ．ＴｈｅＮａｖｍｅｓｈｒｏｕｔｉｎｇａｌｇｏｒｉｔｈｍｉｓｓｅｌｅｃｔｅｄｔｏｒｅａｌｉｚｅｔｈｅｐａｔｈｐｌａｎｎｉｎｇｏｆｔｈｅｕｎｍａｎｎｅｄｂｏａｔｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｐｌａｔ⁃ｆｏｒｍ．Ｔｈｅｓｙｓｔｅｍｆｉｌｌｓｔｈｅｇａｐｉｎｔｈｅｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｔｅｓｔｏｆｕｎｍａｎｎｅｄｅｑｕｉｐｍｅｎｔａｔｔｈｅｆｉｒｉｎｇｒａｎｇｅ，ｓｏｌｖｅｓｔｈｅｐｒｏｂｌｅｍｏｆｔｈｅｌａｃｋｏｆｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｔｒａｉｎｉｎｇｍｅａｎｓｏｆｕｎｍａｎｎｅｄｂｏａｔ，ａｎｄｃａｎｐｒｏｖｉｄｅｂａｓｉｃｓｕｐｐｏｒｔｆｏｒｔｈｅｄｉｇｉｔａｌｔｅｓｔｅｖａｌｕａｔｉｏｎｏｆｕｎｍａｎｎｅｄｅ⁃ｑｕｉｐｍｅｎｔ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ＵＳＶ；ｍｏｔｉｏｎｃｏｎｔｒｏｌ；ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍ；ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒｓ；ｐａｔｈｐｌａｎｎｉｎｇ收稿日期：２０２３⁃０６⁃１２修回日期：２０２３⁃０７⁃０７作者简介：刘㊀峰（１９８３ ），男，工程师，研究方向为导航㊁两栖陆战装备㊂许二旭（１９７９ ），男，副教授㊂㊀㊀无人装备模型构建和运动控制仿真技术是近年来国内外军工靶场的研究重点，也是无人装备数字化鉴定及模拟训练的核心关键，其鉴定考核具有标准依据少㊁方法设计难等特点，传统试训方法不能直接观察到控制系统各参数变化对运动稳定性的影响，试训人员对控制参数的调试理解不深，使得训练效果不佳，因此，通过模型构建及仿真技术来验证无人装备运动控制参数和性能，对其融入作战体系及能力生成具有重要意义［１］㊂本文基于ＣｏｐｐｌｉａＳｉｍ仿真软件设计无人艇运动控制仿真试验训练系统，基于构建的无人艇动力学模型和运动学模型，设计构建稳健比例积分（ＰＩＤ）控制㊁滑膜控制和模糊ＰＩＤ控制三种控制器，仿真系统与实装艇通过通信系统连接，试训人员能够通过仿真系统调节参数，结合实船演示和仿真可视化的方法验证不同控制器下的轨迹变化特性，为无人艇试验训练提供手段方法和基础支撑［２］㊂设计过程包括ＣｏｐｐｅｌｉａＳｉｍ中的仿真运动过程和软件界面设计整合过程㊂ＣｏｐｐｅｌｉａＳｉｍ中的仿真过程包括路径规划㊁控制器设计㊁运动学仿真三大部分，仿真全过程的逻辑框图如图１所示㊂在实现运动仿真后，软件界面对系统功能进行整合，以运动模式㊁行程点和控制参数为输入量，经运动学仿真后，将运动状态输出显示并进行运动渲染，其具体逻辑框图如图２所示㊂１㊀无人艇实体模型及环境搭建为仿真试验提供可视化效果，需要构建相应的无人艇实体模型和水面环境模型［３］㊂１ １㊀无人艇实体模型考虑仿真平台运行时的性能和无人艇的运动特性，本系统采用ＣｏｐｐｌｉａＳｉｍ仿真软件中的简单立方体代替无人艇实体模型进行仿真㊂螺旋桨也用两个简单的立方体代替，并用力传感器将替代螺旋桨的立方体与无人艇体进行连接，虚拟无人艇组成部分从属关系图如图３所示㊂为了画面效果，依据试验用实物艇建立无人艇的实体建模，将模型放置在显示的图层，而将仿真的实体放在隐藏的图层，如图４所示㊂第６期指挥控制与仿真１１３㊀图１㊀仿真过程逻辑图Ｆｉｇ １㊀Ｌｏｇｉｃｄｉａｇｒａｍｏｆｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｐｒｏｃｅｓｓ图２㊀软件逻辑框架Ｆｉｇ ２㊀Ｓｏｆｔｗａｒｅｌｏｇｉｃｆｒａｍｅｗｏｒｋ图３㊀虚拟无人艇组成部分从属关系图Ｆｉｇ ３㊀Ｄｅｐｅｎｄｅｎｃｙｄｉａｇｒａｍｏｆｖｉｒｔｕａｌｕｎｍａｎｎｅｄｓｕｒｆａｃｅｖｅｈｉｃｌｅｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ１ ２㊀环境模型搭建ＣｏｐｐｌｉａＳｉｍ软件提供的模型不具备如水浮力㊁水阻力等物理特征，而本系统关注的是无人艇的水面运动图４㊀导入完成的全部模型显示Ｆｉｇ ４㊀Ｓｈｏｗｓｏｆｉｍｐｏｒｔｅｄｍｏｄｅｌ状态，即我们是基于三自由度无人艇模型进行后续设计工作，因此，对模型进行简化，将无人艇实体放在一个支撑大平面上进行仿真㊂水阻力以及风浪等干扰可以通过在调用软件中添加力和力矩的函数进行仿真㊂２㊀动力学模型构建２ １㊀无人艇坐标系无人艇在水面上航行时，可将运动行为看成在六个自由度上的运动㊂运动行为分为线性运动和旋转运动㊂线性运动为沿轴ｘ０㊁ｙ０㊁ｚ０方向的运动，旋转运动则是沿这三轴的往复运动㊂为了更加详细地描述无人艇的运动状态和位置，我们建立了描述无人艇位置的惯性坐标系和描述其运动姿态的机体坐标系，如图５所示㊂惯性坐标系也称为大地坐标系，其原点选为地球表面某个运动参考点，通常情况下为无人艇某个时刻的重心㊂ｏ０ｘ０轴的正方向指向正北方，ｏ０ｙ０轴的正方向指向正东方，ｏ０ｚ０轴的正方向垂直向下指向地心㊂机１１４㊀刘㊀峰，等：无人艇运动控制仿真试验训练系统设计研究第４５卷图５㊀坐标系构建Ｆｉｇ ５㊀Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｏｆｃｏｏｒｄｉｎａｔｅｓｙｓｔｅｍ体坐标系也称为运动坐标系，用于描述无人艇的运动信息［４］㊂ｏ为无人艇的重心，该坐标系会跟随艇一起进行移动㊂规定：ｏｘ轴正方向指向艇首，ｏｙ轴正方向指向艇体的右舷，ｏｚ轴正方向垂直向下㊂无人艇状态变量定义为η１＝［ｘ，ｙ，ｚ］，表示无人艇在惯性坐标系的位置，η２＝［φ，θ，ψ］表示无人艇在惯性坐标系中的姿态；ｖ１＝［ｕ，ｖ，ｗ］为无人艇在运动坐标系中的线速度，分别对应了纵荡㊁横荡和垂荡速度，ｖ２＝［ｐ，ｑ，ｒ］则是代表在同一坐标系中的角速度，分别对应了横摇㊁纵摇和艏摇角速度；τ１＝［Ｘ，Ｙ，Ｚ］代表了无人艇在运动坐标系下所受到的各方向外力，τ２＝［Ｋ，Ｍ，Ｎ］则代表在同一坐标系下的各方向力矩㊂综上，定义η＝［η１，η２］为无人艇的位置向量，ｖ＝［ｖ１，ｖ２］为速度向量，τ＝［τ１，τ２］为其所受外力／力矩［５］㊂２ ２㊀无人艇动力学模型无人艇线速度在两坐标系之间转换关系为η㊃１＝Ｊ１（η２）ｖ１（１）其中，Ｊ１（η２）为转换矩阵，表示为Ｊ１η２()＝ｃｏｓθｃｏｓψｓｉｎψｓｉｎθｃｏｓψ－ｃｏｓφｓｉｎψｃｏｓφｓｉｎθｃｏｓψ＋ｓｉｎφｓｉｎψｃｏｓθｓｉｎψｓｉｎψｓｉｎθｓｉｎψ＋ｃｏｓφｃｏｓψｃｏｓφｓｉｎθｓｉｎψ－ｓｉｎφｃｏｓψ－ｓｉｎθｓｉｎφｃｏｓθｃｏｓφｃｏｓθéëêêêùûúúú（２）㊀㊀无人艇角速度在两坐标系之间转换关系为η㊃２＝Ｊ２（η２）ｖ２（３）其中，Ｊ２（η２）为转换矩阵，表示为Ｊ２η２()＝１ｓｉｎφｔａｎθｃｏｓφｔａｎθ０ｃｏｓφ－ｓｉｎθ０ｓｉｎφｓｅｃθｃｏｓφｓｅｃθéëêêêùûúúú（４）结合式（１）和（３）可得无人艇水面运动模型：η㊃１η㊃２éëêêùûúú＝Ｊ１η２()０３ˑ３０３ˑ３Ｊ２η２()éëêêùûúúｖ１ｖ２éëêêùûúú（５）式（５）可简化为η㊃＝Ｊη()ｖ（６）将无人艇视为刚体，由牛顿－欧拉方程推导出的刚体力和力矩平衡方程为ｍ［ｖ㊃１＋ｖ２ｖ１＋ｖ㊃２ｒｇ＋ｖ㊃２（ｖ㊃２ｒｇ）］＝τ１Ｉ０ｖ㊃２＋ｖ２Ｉ０ｖ２＋ｍｒｇｖ㊃１＋ｖ２ｖ１()＝τ２{（７）其中，ｒｇ＝［ｘｇ，ｙｇ，ｚｇ］为重心坐标，Ｉ０为刚体转动惯量㊂将式（７）改写为ＭＲＢｖ㊃＋ＣＲＢｖ()ｖ＝τＲＢ（８）式中，ｖ＝ｕ，ｖ，ｗ，ｐ，ｑ，ｒ[]，τＲＢ＝［Ｘ，Ｙ，Ｚ，Ｋ，Ｍ，Ｎ］㊂ＭＲＢ为刚体惯性矩阵：ＭＲＢ＝ｍ０００ｍ０００ｍ０ｍｚｇ－ｍｙｇ－ｍｚｇ０ｍｘｇｍｙｇ－ｍｘｇ００－ｍｚｇｍｙｇｍｚｇ０－ｍｘｇ－ｍｙｇｍｘｇ０Ｉｘ－Ｉｘｙ－Ｉｘｚ－ＩｙｘＩｙ－Ｉｙｚ－Ｉｚｘ－ＩｚｙＩｚéëêêêêêêêêêùûúúúúúúúúú（９）ＣＲＢｖ()是刚体科里奥利向心力矩阵，令ＣＲＢｖ()＝［Ｃ１，Ｃ２］，则：Ｃ１＝０００００００００－ｍ（ｙｇｑ＋ｚｇｒ）ｍ（ｙｇｐ＋ｗ）ｍ（ｚｇｐ－ｖ）ｍ（ｘｇｑ－ｗ）－ｍ（ｚｇｒ＋ｘｇｐ）ｍ（ｚｇｑ＋ｕ）ｍ（ｘｇｒ＋ｖ）ｍ（ｙｇｒ－ｕ）－ｍ（ｘｇｐ＋ｙｇｑ）éëêêêêêêêêùûúúúúúúúú第６期指挥控制与仿真１１５㊀Ｃ２＝ｍ（ｙｇｑ＋ｚｇｒ）－ｍ（ｘｇｐ－ｗ）－ｍ（ｘｇｐ＋ｖ）－ｍ（ｙｇｐ＋ｗ）ｍ（ｚｇｒ＋ｘｇｐ）－ｍ（ｙｇｐ－ｕ）－ｍ（ｚｇｐ－ｖ）－ｍ（ｚｇｐ＋ｕ）ｍ（ｘｇｐ＋ｙｇｑ）０－Ｉｙｚｑ－Ｉｘｚｐ＋ＩｚｚｒＩｙｚｒ＋Ｉｘｙｐ－ＩｙｙｑＩｙｚｑ＋Ｉｘｚｐ＋Ｉｚｚｒ０－Ｉｘｚｒ－Ｉｘｙｑ＋Ｉｘｘｐ－Ｉｙｚｒ－Ｉｘｙｐ＋ＩｙｙｑＩｘｚｒ＋Ｉｘｙｑ－Ｉｘｘｐ０éëêêêêêêêêêùûúúúúúúúúú（１０）㊀㊀向量τＲＢ由流体力和力矩向量τＨ㊁外部环境干扰力和力矩向量τＥ㊁推进力和力矩向量τ组成㊂下面重点介绍τＨ的组成㊂由流体力学可知，作用于刚体上的流体动力和力矩是线性叠加的［６］㊂流体动力和力矩由附加质量㊁水动力阻尼和重力与浮力引起的回复力三部分组成，因此，τＨ可以写成τＨ＝－ＭＡｖ㊃－ＣＡｖ()ｖ－Ｄｖ()ｖ－ｇ（η）（１１）ＭＡ是附加质量矩阵㊂ＭＡ＝－Ｘ㊃ｕＸ㊃ｖＸ㊃ｗＸ㊃ｐＸ㊃ｑＸ㊃ｒＹ㊃ｕＹ㊃ｖＹ㊃ｗＹ㊃ｐＹ㊃ｑＹ㊃ｒＺ㊃ｕＺ㊃ｖＺ㊃ｗＺ㊃ｐＺ㊃ｑＺ㊃ｒＫ㊃ｕＫ㊃ｖＫ㊃ｗＫ㊃ｐＫ㊃ｑＫｒＭ㊃ｕＭ㊃ｖＭ㊃ｗＭ㊃ｐＭ㊃ｑＭ㊃ｒＮ㊃ｕＮ㊃ｖＮ㊃ｗＮ㊃ｐＮ㊃ｑＮ㊃ｒéëêêêêêêêêêùûúúúúúúúúú（１２）ＣＡｖ()是流体力学科里奥利向心力矩阵㊂ＣＡｖ()＝００００－ａ３ａ２０００ａ３０－ａ１０００－ａ２ａ１０ａ３０－ａ１ｂ３０－ｂ１ａ３０－ａ１ｂ３０－ｂ１－ａ２ａ１０－ｂ２ｂ０éëêêêêêêêêêùûúúúúúúúúú（１３）其中，ａ１ａ２ａ３ｂ１ｂ２ｂ３éëêêêêêêêêêùûúúúúúúúúú＝Ｘ㊃ｕＸ㊃ｖＸｗＸ㊃ｐＸ㊃ｑＸ㊃ｔＹ㊃ｕＹ㊃ｖＹｗＹ㊃ｐＹ㊃ｑＹ㊃㊃ｒＺ㊃ｕＺｖＺ㊃ｗＺ㊃ｐＺ㊃ｑＺｒＫ㊃ｕＫ㊃ｖＫｗＫ㊃ｐＫ㊃ｑＫ㊃ｒＭ㊃ｕＭ㊃ｖＭ㊃ｗＭ㊃ｐＭ㊃ｑＭ㊃ｒＮ㊃ｕＮ㊃ｖＮ㊃ｗＮ㊃ｐＮ㊃ｑＮ㊃ｒéëêêêêêêêêêùûúúúúúúúúúｕｖｗｐｑｒéëêêêêêêêêùûúúúúúúúú（１４）Ｄｖ()是阻尼矩阵，可写为线性和非线性阻尼矩阵的和㊂Ｄｖ()＝Ｄ＋Ｄｎ（ｖ）（１５）其中，线性阻尼矩阵Ｄ为Ｄ＝ＸｕＸｖＸｗＸｐＸｑＸｒＹｕＹｖＹｗＹｐＹｑＹｒＺｕＺｖＺｗＺｐＺｑＺｒＫｕＫｖＫｗＫｐＫｑＫｒＭｕＭｖＭｗＭｐＭｑＭｒＮｕＮｖＮｗＮｐＮｑＮｒéëêêêêêêêêêùûúúúúúúúúú（１６）ｇ（η）是回复力和力矩矩阵向量㊂ｇη()＝Ｗ－Ｂ()ｓｉｎθ－Ｗ－Ｂ()ｃｏｓθｓｉｎφ－Ｗ－Ｂ()ｃｏｓθｃｏｓφ－ｙｇＷ－ｙｂＢ()ｃｏｓθｓｉｎφ＋ｚｇＷ－ｚｂＢ()ｃｏｓθｓｉｎφｚｇＷ－ｚｂＢ()ｓｉｎθ＋ｘｇＷ－ｘｂＢ()ｃｏｓθｃｏｓφ－ｘｇＷ－ｘｂＢ()ｃｏｓθｓｉｎφ－ｙｇＷ－ｙｂＢ()ｓｉｎθéëêêêêêêêêùûúúúúúúúú（１７）其中，Ｗ为重力，Ｂ为浮力㊂Ｗ＝ｍｇ，Ｂ＝ρｇρᶄ（１８）式中，ｍ为无人艇质量，ｇ为重力加速度，ρ为水密度，ρᶄ为排水密度㊂２ ３㊀三自由度无人艇运动模型在无人艇的实际航行过程中，主要关注运动坐标系纵向运动㊁横向运动以及转艏运动（水平面上的运动），因此，可以将六自由度无人艇运动数学模型简化为三自由度的平面运动数学模型，使运动控制问题得到简化，水平坐标系如图６所示㊂图６㊀水平坐标系Ｆｉｇ ６㊀Ｈｏｒｉｚｏｎｔａｌｃｏｏｒｄｉｎａｔｅｓｙｓｔｅｍ假设无人艇的几何中心与重心重合，同时忽略风㊁浪和流等外界干扰因素，则可以得到无人艇水面三自由度运动数学模型：１１６㊀刘㊀峰，等：无人艇运动控制仿真试验训练系统设计研究第４５卷η㊃＝Ｊ（η）ｖＭｖ㊃＋Ｃ（ｖ）ｖ＋Ｄ（ｖ）ｖ＝τ{（１９）其中，位置矢量η＝［ｘ，ｙ，ψ］，速度矢量ｖ＝［ｕ，ｖ，ｒ］，而仿真对象是双桨无人艇，则其所受推力和力矩矢量τ＝［Ｔ１＋Ｔ２，０，（Ｔ１－Ｔ２）Ｂ／２］㊂Ｔ１和Ｔ２分别是无人艇左右桨提供的推力，Ｂ是桨间的水平距离㊂对于螺旋桨提供的推力，用以下数学模型进行描述：Ｔ＝（１－ｔＰ）ρｎ２Ｄ４ＰＫＴ（ＪＰ）（２０）式中，ρ表示水密度；ＪＰ()为桨推力系数，其中，ＪＰ为进速系数；ｔＰ为伴流系数；ＤＰ表示螺旋桨直径；ｎ是螺旋桨转速㊂转换矩阵Ｊ（η）可表示为Ｊη()＝ｃｏｓψ()－ｓｉｎψ()０ｓｉｎψ()ｃｏｓψ()０００１éëêêêùûúúú（２１）惯性矩阵Ｍ＝ＭＲＢ＋ＭＡ，科里奥利力矩阵Ｃ（ｖ）＝ＣＲＢ（ｖ）＋ＣＡ（ｖ），阻尼矩阵Ｄ（ｖ）＝Ｄ＋Ｄｎ（ｖ）㊂其中：ＭＲＢ＝ｍ０－ｍｙｇ０ｍｍｘｇ－ｍｙｇｍｘｇＩｚéëêêêêùûúúúú（２２）ＭＡ＝－Ｘ㊃ｕ０００－Ｙ㊃ｖ－Ｙ㊃ｒ０－Ｎ㊃ｖ－Ｎ㊃ｒéëêêêêùûúúúú（２３）ＣＲＢｖ()＝００－ｍｘｇｒ＋ｖ()００ｍｕｍｘｇｒ＋ｖ()－ｍｕ０éëêêêêùûúúúú（２４）ＣＡｖ()＝００Ｙ㊃ｖｖ＋１２Ｙ㊃ｒ＋Ｎ㊃ｖ()ｒ００－Ｘ㊃ｕｕ－Ｙ㊃ｖｖ－１２Ｙ㊃ｒ＋Ｎ㊃ｖ()ｒＸ㊃ｕｕ０éëêêêêêêùûúúúúúú（２５）Ｄ＝－Ｘｕ０００－Ｙｖ－Ｙｒ０－Ｎｖ－Ｎｒéëêêêêùûúúúú（２６）Ｄｎｖ()＝－Ｘｕｕｕ０００－Ｙｖｖｖ０００－Ｎｒｒｒéëêêêêùûúúúú（２７）前文中假设无人艇重心与几何中心重合，因此，（ｘｇ，ｙｇ）＝（０，０）㊂在不考虑运动坐标系原点变化的情况下，假设无人艇结构前后对称时，Ｍ㊁Ｄ（ｖ）均采取对角线型结构，这表示Ｙ㊃ｒ＝０，Ｙｒ＝０，Ｎ㊃ｖ＝０，Ｎｖ＝０㊂结合式（２２）和（２３）可得Ｍ的具体表达形式：Ｍ＝ｍ－Ｘ㊃ｕ０００ｍ－Ｙ㊃ｖ０００Ｉｚ－Ｎ㊃ｒéëêêêêùûúúúú＝ｍ１１０００ｍ２２０００ｍ３３éëêêêêùûúúúú（２８）结合式（２４）和（２５）可得Ｃ（ｖ）的具体表达形式：Ｃｖ()＝００－ｍ２２ｖ００ｍ１１ｕｍ２２ｖ－ｍ１１ｕ０éëêêêêùûúúúú（２９）阻尼矩阵包含线性阻尼矩阵Ｄ以及非线性阻尼矩阵Ｄｎ（ｖ），忽略高于二阶的流体动力阻尼项，则非线性阻尼矩阵中各项系数均为零，因此：Ｄｖ()＝－Ｘｕ０００－Ｙｖ０００－Ｎｒéëêêêêùûúúúú（３０）综上，将式（１９）展开为ｕ㊃＝ｍ２２ｍ１１ｖｒ－ｄ１１ｍ１１ｕ＋１ｍ１１（Ｔ１＋Ｔ２）ｖ㊃＝－ｍ１１ｍ２２ｕｒ－ｄ２２ｍ２２ｖｒ㊃＝ｍ１１－ｍ２２ｍ３３ｕｖ－ｄ３３ｍ３３ｒ＋１ｍ３３（Ｔ１－Ｔ２）Ｂ／２ｘ㊃＝ｕｃｏｓψ－ｖｓｉｎψｙ㊃＝ｕｓｉｎψ＋ｖｃｏｓψψ㊃＝ｒ（３１）无人艇基本参数及无人艇水动力模型参数如表１㊁表２所示㊂表１㊀无人艇基本参数Ｔａｂ １㊀Ｂａｓｉｃｐａｒａｍｅｔｅｒｓｏｆｕｎｍａｎｎｅｄｓｕｒｆａｃｅｖｅｈｉｃｌｅ艇长１ ２５ｍ推进器到纵向轴距１５ｃｍ艇宽０ ６１ｍ推进器到船尾距１６ｃｍ艇高０ ２１ｍ重心到船首距９０ｃｍ质量３３ ２５ｋｇ最大线速度２ ９ʃ０ ２ｍ／ｓ桨叶直径９ｃｍ最大角速度ʃ２ ０ʃ０ １ｒａｄ／ｓ㊀表２㊀无人艇水动力模型参数Ｔａｂ ２㊀ＨｙｄｒｏｄｙｎａｍｉｃｍｏｄｅｌｐａｒａｍｅｔｅｒｓｏｆｕｎｍａｎｎｅｄｓｕｒｆａｃｅｖｅｈｉｃｌｅＸ㊃ｕ－６ ８６Ｎｒ－１ ２６Ｙ㊃ｖ－１７ ５Ｘｕｕ－１２ ９１Ｎ㊃ｒ－１ ２Ｙｖｖ－２４ ２Ｘｕ３ ０２Ｎｒｒ０Ｙｖ－２０ ５Ｉｚ２ ７０第６期指挥控制与仿真１１７㊀３㊀控制器构建无人水面艇在海上航行，由于受到风㊁浪㊁流等环境的影响，给定的航向会不可避免地产生偏移㊂精准的航向控制是解决航迹跟踪㊁自主航行㊁自动避碰等问题的前提㊂相对民船而言，无人艇的重量小，速度快，动力有限，风㊁浪㊁流等海洋环境的干扰显得非常突出，其控制要求更高㊂因此，必须研究出更加先进的无人艇运动控制技术来代替传统的控制方法，以满足控制要求［７］㊂无人艇的运动控制器由航向控制器㊁航迹控制器和速度控制器三个控制器组成，为了让试训人员更直观地体验控制器的设计，我们分别采用了ＰＩＤ控制器㊁滑模控制器和模糊ＰＩＤ控制器来进行无人艇的仿真航向控制，并预留可供修改的控制器参数来体验控制器的特性，控制逻辑如图７所示㊂图７㊀无人艇控制逻辑Ｆｉｇ ７㊀Ｃｏｎｔｒｏｌｌｏｇｉｃｏｆｕｎｍａｎｎｅｄｂｏａｔ㊀㊀我们使用的无人艇是一种双推进器无人艇㊂对于该艇，航迹控制器的输入为无人艇与目标航迹的距离偏差（ｅ），输出为预期航向角（ψｄ）；航向控制器的输入为航向误差（Δψ），输出为推进器转速差值；速度控制器输入为速度误差（ΔＶ），输出为推进器转速均值㊂航向控制器起到了调整航向的作用，在目标航向已知的情况下向目标航向靠拢；航迹控制器在航向控制器表现较好时才能发挥更好的作用，其会根据航行实际位置与规划航迹综合分析，对无人艇航行航向进行直接决策，扮演指令下达者的角色；速度控制器用来控制无人水面艇航速，在不同水面情况下会有不同航速要求，速度控制器负责达到预期的航速目标㊂设计三种不同的控制器，分别是ＰＩＤ控制器㊁滑模控制器和鲁棒控制器（模糊ＰＩＤ控制器）㊂三种控制器各有优劣㊂其中，ＰＩＤ控制器和模糊ＰＩＤ控制器在存在未知干扰的情况下会有更好的控制效果，具有更高的鲁棒性能㊂而滑模控制器对模型精准度要求更高，但在模型确定的情况下控制精度更好㊂下面是我们用三个控制器进行航向角控制，结果如图８ 图１０所示㊂由仿真结果可知，三个控制器都可以达到较好的结果，三个控制器对航向角阶跃信号的响应时间和控制精度分别为：ＰＩＤ控制器响应时间：２１ ６５ｓ，收敛后的波动范围图８㊀ＰＩＤ航向角控制结果Ｆｉｇ ８㊀ＰＩＤｈｅａｄｉｎｇａｎｇｌｅｃｏｎｔｒｏｌｒｅｓｕｌｔｓ图９㊀滑模航向角控制结果Ｆｉｇ ９㊀Ｓｌｉｄｉｎｇｍｏｄｅｈｅａｄｉｎｇａｎｇｌｅｃｏｎｔｒｏｌｒｅｓｕｌｔｓ是（１７９ ０４１３，１８０ ４２４５）；滑膜控制器响应时间：２６ ３５ｓ，收敛后的波动范围是（１６９ ５２１２，１７０ ７５２５）；模糊ＰＩＤ控制器响应时间是２１ ５５ｓ，收敛后的波１１８㊀刘㊀峰，等：无人艇运动控制仿真试验训练系统设计研究第４５卷图１０㊀模糊ＰＩＤ航向角控制结果Ｆｉｇ １０㊀ＦｕｚｚｙＰＩＤｈｅａｄｉｎｇａｎｇｌｅｃｏｎｔｒｏｌｒｅｓｕｌｔｓ动范围是（１７５ １１４２，１７５ ６５８７）㊂三个控制器中，ＰＩＤ控制器最为简单，具有一定的鲁棒性；模糊ＰＩＤ鲁棒性最高，有自适应能力；滑膜控制器对模型的精度要求最高，参数调整较为困难，若相关参数调整不合理，容易出现抖震现象㊂４㊀Ｎａｖｍｅｓｈ寻路算法Ｎａｖｍｅｓｈ（ＮａｖｉｇａｔｉｏｎＭｅｓｈ）寻路算法是目前比较主流的一种寻路算法，是一种基于凸多边形网格的寻路方式［８］㊂Ｎａｖｍｅｓｈ是对基于导航网格寻路体系的统称，实现方式复杂多样㊂但无论具体使用怎样的方法，Ｎａｖｍｅｓｈ寻路算法的全部流程至少包含两个部分：导航网格构建和寻路算法㊂本平台使用的Ｎａｖｍｅｓｈ寻路算法原理如图１１所示㊂图１１㊀Ｎａｖｍｅｓｈ寻路算法实现原理Ｆｉｇ １１㊀Ｎａｖｍｅｓｈｐａｔｈｆｉｎｄｉｎｇａｌｇｏｒｉｔｈｍｉｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎｐｒｉｎｃｉｐｌｅ４ １㊀导航网格构建导航网格构建（ＮａｖｉｇａｔｉｏｎＭｅｓｈＣｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ）是指根据得到的地图信息中障碍物和陆地的位置，在地图上静态地构建可供寻路算法使用的导航网格的过程㊂导航网格构建的基本流程如下：体素化场景：将提供的源地图数据通过体素化方式建立实体Ｓｐａｎ，与此同时，对体素化模型进行简单过滤，以去除无人艇可能无法到达的位置；创建Ｒｅｇｉｏｎｓ：将第一步生成的体素模型描述的可行走区域划分为重叠的２Ｄ区域，检测可跨越的Ｓｐａｎ，并为其生成简单的轮廓数据；创建Ｐｏｌｙｇｏｎ：根据轮廓数据对区域进行化简，获得导航多边形，再对得到的导航多边形进行处理，得到凸多边形㊂４ ２㊀寻路算法寻路算法（ＰａｔｈＦｉｎｄｉｎｇＡｌｇｏｒｉｔｈｍ）是指根据前面构建的导航网格体，迅速生成一条可供无人艇在自动驾驶模式下无碰撞行驶的合理路径的过程㊂寻路算法的实现主要分为以下三个阶段㊂４ ２ １㊀确定优化目标为构建的凸多边形网格体添加一个 成本 值，这样在搜索路径时，寻路算法会尝试找到总成本最低的路径㊂４ ２ ２㊀确定凸多边形集合以经过导航网格的总 成本 值最小为目标，使用其他寻路算法可以获得无人艇达到终点所需要经过的导航网格集合㊂这里所使用的寻路算法通常为Ａ∗算法［９］㊂Ａ∗算法是一种应用十分广泛的寻路算法，不一定能找到最短的路径，但可以在较短的时间内搜索到一条相对较短的路径，在Ｄｉｊｋｓｔｒａ算法基础上引入启发因子，寻找那些 看起来离终点更近 的节点㊂Ａ∗算法的运行结果如图１２所示㊂图１２㊀Ａ∗算法的运行结果∗注：绿色网格为起点，红色网格为终点，灰色网格为障碍物，黄色折线为搜索到的最短路径㊂Ｆｉｇ １２㊀ＯｐｅｒａｔｉｏｎｒｅｓｕｌｔｓｏｆｔｈｅＡ∗ａｌｇｏｒｉｔｈｍ４ ３㊀算法仿真应用通过使用Ｎａｖｍｅｓｈ寻路算法，系统可以生成无人艇到达终点的合理路径㊂本文设计的路径规划方法在仿真平台中实现了以下目标：根据较复杂的场景中的障碍物信息，构建导航网格体，并在短时间内迅速生成一条成本相对较低的路径；将得到的路径转化为保障无人艇不接触障碍的路径点，同时有利于提高控制器的控制效果；根据路径的整体情况以及船的转弯㊁制动㊁加速性能得到速度矩阵，并根据路径点的分布㊁位置㊁距离等参数进行速度矩阵的再次修正，最终传输给控制器进行每一段速度的控制，如图１３所示㊂第６期指挥控制与仿真１１９㊀图１３㊀路径的初步规划Ｆｉｇ １３㊀Ｐｒｅｌｉｍｉｎａｒｙｐｌａｎｎｉｎｇｏｆｔｈｅｐａｔｈ４ ４㊀路径生成优化４ ４ １㊀不同速度下的寻路优化在实际运行过程中，随着速度的增大，转弯半径也会增大，进而影响无人艇的路径规划［１０］㊂为了能够在仿真平台中体现出这一特点，我们为障碍物的碰撞模型增添了一段安全距离，以确保有一定宽度的无人艇可以安全通过㊂设置安全距离后的效果如图１４所示㊂图中，绿色方格是构建的导航网格体，而不规则的灰色环围成的范围则是设置的安全距离㊂由于转弯半径与速度有关，随着速度的增大，其安全距离也应随之增大，在寻路算法运行的时候，会把安全距离以内的区域认定为被阻挡的区域，进而保证船在高速状态下也可选择合适且安全的路径㊂图１４㊀障碍物实际碰撞范围影响导航网格体Ｆｉｇ １４㊀Ａｃｔｕａｌｃｏｌｌｉｓｉｏｎｒａｎｇｅｏｆｏｂｓｔａｃｌｅｓａｆｆｅｃｔｓｔｈｅｎａｖｉｇａｔｉｏｎｇｒｉｄｂｏｄｙ图１５㊁１６是在搭建合适的场景后，无人艇行驶速度慢与快对路径生成带来的影响㊂在慢速情况下，无人艇的转弯半径较小，因此，寻路算法可以在障碍物比较密集的地方生成路径；而在快速情况下，无人艇的转弯半径增大，为了行驶的安全以及保持较快的行驶速度，此时路径轨迹的生成则会选择在宽阔的海面上㊂４ ４ ２㊀减少船的转弯在实际运行过程中，频繁的转弯会影响无人艇的运行速度，同时可能会影响控制器的效果㊂从图１６可以看出，使用Ａ∗算法得到的路径效果并不是真正意义上的最短路径，这是由Ａ∗算法所使用的启发式函数决定的，而之后使用的路径平滑算法也无法减少转弯的图１５㊀较低速度下的路径规划Ｆｉｇ １５㊀Ｐａｔｈｐｌａｎｎｉｎｇａｔｌｏｗｅｒｓｐｅｅｄｓ图１６㊀较高速度下的路径规划Ｆｉｇ １６㊀Ｐａｔｈｐｌａｎｎｉｎｇａｔｈｉｇｈｅｒｓｐｅｅｄｓ次数，如图１７所示㊂因此，需要对生成的路径点进行额外的处理㊂下面将对处理的方式进行介绍：图１７㊀仿真平台中减少转弯次数的算法示意图Ｆｉｇ １７㊀ＳｃｈｅｍａｔｉｃｄｉａｇｒａｍｏｆｔｈｅａｌｇｏｒｉｔｈｍｆｏｒｒｅｄｕｃｉｎｇｔｈｅｎｕｍｂｅｒｏｆｔｕｒｎｓｉｎｔｈｅｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｐｌａｔｆｏｒｍＳｔｅｐ１：对于寻路算法得到的点集，如果点集中的元素个数不少于３个，则转入Ｓｔｅｐ２处理；否则不需要处理；Ｓｔｅｐ２：取出点集中的第一个点与第三个点，记为Ｃ１和Ｃ３，由Ｃ１向Ｃ３发射一条射线，如果射线没有命中障碍物，说明无人艇可以通过直线直接到达Ｃ３，可以把二者间的点删除，再取出点集中的第三个点进行检测；如果命中障碍物，说明Ｃ１和Ｃ３间的点需要保留，此时取出Ｃ２和Ｃ４进行检测；Ｓｔｅｐ３：重复上述过程，直到取出点集中的倒数第二个点为止㊂在减少无人艇转弯次数时，如果删除过多点，可能会导致无人艇在某次转弯过程中转弯幅度过大，会对行驶造成不好的影响㊂因此，我们基于一定规则，对本该删除的点进行必要的取舍，以保证在不降低无人艇１２０㊀刘㊀峰，等：无人艇运动控制仿真试验训练系统设计研究第４５卷转弯平稳性的同时，减少无人艇转弯次数㊂最后达到的路径规划效果如图１８所示㊂相对图１６，无人艇自动生成的路径中转弯次数出现了较明显减少㊂图１８㊀使用优化方法减少路径中的转弯次数Ｆｉｇ １８㊀Ｕｓｉｎｇｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄｓｔｏｒｅｄｕｃｅｔｈｅｎｕｍｂｅｒｏｆｔｕｒｎｓｉｎｔｈｅｐａｔｈ５㊀结束语本文设计的仿真试验训练系统，弥补了靶场无人艇仿真试验鉴定领域不足，基本解决了无人艇模拟训练手段缺乏的难题㊂基于该系统开展试验训练工作，可加深对无人装备运动控制理论知识的理解掌握，有利于试训人员对各种控制算法及数字化试验鉴定方法的理解㊂同时，基于该系统，能够对无人装备运动控制试验训练方法进行创新设计，有助于提升海军靶场试验训练综合保障能力㊂参考文献：［１］㊀刘星，杨冰，霍清华，等．无人艇工程控制课程实践教学平台开发［Ｊ］．造船技术，２０２３，５１（１）：３５⁃３９，６３．ＬＩＵＸ，ＹＡＮＧＢ，ＨＵＯＱＨ，ｅｔａｌ．Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆｐｒａｃｔｉｃｅｔｅａｃｈｉｎｇｐｌａｔｆｏｒｍｏｆｕｎｍａｎｎｅｄｂｏａｔｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇｃｏｎｔｒｏｌｃｏｕｒｓｅ［Ｊ］．ＭａｒｉｎｅＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２０２３，５１（１）：３５⁃３９，６３．［２］㊀迟刚，胡晓峰，吴琳．异构模型系统协同仿真与联合运行研究［Ｊ］．系统仿真学报，２０１４，２６（１１）：２７０４⁃２７０８．ＣＨＩＧ，ＨＵＸＦ，ＷＵＬ．Ｒｅｓｅａｒｃｈｏｆｃｏｏｒｄｉｎａｔｅｄｓｉｍｕｌａｔｉｏｎａｎｄｊｏｉｎｔａｃｔｉｏｎａｍｏｎｇｈｅｔｅｒｏｇｅｎｏｕｓｍｏｄｅｌｓｙｓ⁃ｔｅｍｓ［Ｊ］．ＪｏｕｒｎａｌｏｆＳｙｓｔｅｍＳｉｍｕｌａｔｉｏｎ，２０１４，２６（１１）：２７０４⁃２７０８．［３］㊀董慧颖，段云波．水面无人艇运动控制系统建模与仿真［Ｊ］．沈阳理工大学学报，２０１７，３６（１）：７７⁃８４．ＤＯＮＧＨＹ，ＤＵＡＮＹＢ．Ｍｏｄｅｌｉｎｇａｎｄｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｆｍｏ⁃ｔｉｏｎｃｏｎｔｒｏｌｓｙｓｔｅｍｏｆｕｎｍａｎｎｅｄｓｕｒｆａｃｅｖｅｓｓｅｌ［Ｊ］．ＪｏｕｒｎａｌｏｆＳｈｅｎｙａｎｇＬｉｇｏｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，２０１７，３６（１）：７７⁃８４．［４］㊀谢钢．ＧＰＳ原理与接收机设计［Ｍ］．北京：电子工业出版社，２００９：２５⁃３３．ＸＩＥＧ．ＰｒｉｎｃｉｐｌｅｓｏｆＧＰＳａｎｄｒｅｃｅｉｖｅｒｄｅｓｉｇｎ［Ｍ］．Ｂｅｉ⁃ｊｉｎｇ：ＰｕｂｌｉｓｈｉｎｇＨｏｕｓｅｏｆＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓＩｎｄｕｓｔｒｙ，２００９：２５⁃３３．［５］㊀丁晓伟．无人水面艇航行控制器的研究与实现［Ｄ］．大连：大连海事大学，２０１８：５５⁃７８．ＤＩＮＧＸＷ．ＲｅｓｅａｒｃｈａｎｄｉｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎｏｆＵＳＶｎａｖｉｇａ⁃ｔｉｏｎｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ［Ｄ］．Ｄａｌｉａｎ：ＤａｌｉａｎＭａｒｉｔｉｍｅＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，２０１８：５５⁃７８．［６］㊀ＳＡＵＮＤＥＲＳＲＮＣＳ．ＨＩＳ．Ｊａｎｅ ｓｆｉｇｈｔｉｎｇｓｈｉｐｓ［Ｍ］．Ｃｏｕｌｓｄｏｎ：ＵｎｉｔｅｄＫｉｎｇｄｏｍ，２０１６：２５１⁃２５５．［７］㊀张维明，黄松平，黄金才，等．多域作战及其指挥控制问题探析［Ｊ］．指挥信息系统与技术，２０２０，１１（１）：１⁃６．ＺＨＡＮＧＷＭ，ＨＵＡＮＧＳＰ，ＨＵＡＮＧＪＣ，ｅｔａｌ．Ａｎａｌｙｓｉｓｏｎｍｕｌｔｉ⁃ｄｏｍａｉｎｏｐｅｒａｔｉｏｎａｎｄｉｔｓｃｏｍｍａｎｄａｎｄｃｏｎｔｒｏｌｐｒｏｂｌｅｍｓ［Ｊ］．ＣｏｍｍａｎｄＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎＳｙｓｔｅｍａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２０２０，１１（１）：１⁃６．［８］㊀李桥．基于ＮａｖＭｅｓｈ自动寻路算法在动态寻路问题上的研究［Ｄ］．武汉：华中科技大学，２０１９．ＬＩＱ．ＲｅｓｅａｒｃｈｏｎｄｙｎａｍｉｃｒｏｕｔｉｎｇｐｒｏｂｌｅｍｂａｓｅｄｏｎＮａｖＭｅｓｈａｕｔｏｍａｔｉｃｒｏｕｔｉｎｇａｌｇｏｒｉｔｈｍｓ［Ｄ］．Ｗｕｈａｎ：Ｈｕａ⁃ｚｈｏｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２０１９．［９］㊀武善平，黄炎焱，陈天德．改进Ａ∗算法的水面舰艇静态航路规划［Ｊ］．计算机工程与应用，２０２２，５８（２３）：３０７⁃３１５．ＷＵＳＰ，ＨＵＡＮＧＹＹ，ＣＨＥＮＴＤ．ＳｔａｔｉｃｒｏｕｔｅｐｌａｎｎｉｎｇｏｆｓｕｒｆａｃｅｓｈｉｐｓｂａｓｅｄｏｎｉｍｐｒｏｖｅｄＡ∗ａｌｇｏｒｉｔｈｍ［Ｊ］．ＣｏｍｐｕｔｅｒＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇａｎｄＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ，２０２２，５８（２３）：３０７⁃３１５．［１０］杜威，丁世飞．多智能体强化学习综述［Ｊ］．计算机科学，２０１９，４６（８）：１⁃８．ＤＵＷ，ＤＩＮＧＳＦ．Ｏｖｅｒｖｉｅｗｏｎｍｕｌｔｉ⁃ａｇｅｎｔｒｅｉｎｆｏｒｃｅｍｅｎｔｌｅａｒｎｉｎｇ［Ｊ］．ＣｏｍｐｕｔｅｒＳｃｉｅｎｃｅ，２０１９，４６（８）：１⁃８．（责任编辑：张培培）。

无人机的数学模型无人机是利用无线电遥控设备和自备的程序控制装置操纵的不载人飞机。

可反复使用多次，广泛用于空中侦察、监视、通信、反潜和电子干扰等。

因此研究无人机控制系统的设计具有重要意义。

要研究无人机动力学模型的姿态仿真，首先必须建立飞机的数学模型。

在忽略机体震动和变形的条件下，飞机的运动可以看成包含六个自由度的刚体运动，其中包含绕三个轴的三种转动（滚动、俯仰与偏航）和沿三个轴的线运动。

为了确切的描述飞机的运动状态，必须选择合适的坐标系。

1.1常用坐标系1.1.1地面坐标系地面坐标系是与地球固连的坐标系。

原点A固定在地面的某点，铅垂轴向上为正，纵轴与横轴为水平面内互相垂直的两轴。

见图1-1。

图1-1 地面坐标系1.1.2机体坐标系机体坐标系原点在机的重心上,纵轴在飞机对称平面内，平行于翼弦，指向机头为正；立轴也在飞机对称平面内并垂直于，指向座舱盖为正；横轴与平面垂直，指向右翼为正，见图1-2。

1图1-2 机体坐标系1.1.3速度坐标系速度坐标系原点也在飞机的重心上，但轴与飞机速度向量V重合；也在对称平面内并垂直于，指向座舱盖为正；垂直于平面，指向右翼为正，见图2-3。

图1-3 速度坐标系1.2飞机的常用运动参数飞机的运动参数就是完整地描述飞机在空中飞行所需要的变量，只要这些参数确定了，飞机的运动也就唯一地确定了。

因此，飞机的运动参数也是飞机控制系统中的被控量。

被控量包括俯仰角、滚转角、偏航角、仰角、侧滑角、航迹倾斜角，航迹偏转角；同时利用副翼、方向舵、升降舵及油门杆来进行对飞机的控制。

这些称为无人机飞控系统中的控制量。

1.3.1 无人机六自由度运动方程式的建立3基于飞机运动刚体性的假设，我们就可以推导出飞机的一般数学模型为一组非线性微分方程组。

根据牛顿定律，其运动方程应由两部分组成:一部分是以牛顿第二定律(动力定律)为基础的动力学方程组，由此解得无人机相对于机体坐标系的角度向量和角速度向量;另一部分则是通过坐标变换关系得出的运动学方程组确定出无人机相对于地面坐标系的位置向量和速度向量。