MATLAB工具箱专题 | 航空航天工具箱

胧月夜

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Aerospace Blockset / Aerospace Toolbox

介绍

航空航天工具箱包括Aerospace Toolbox和Aerospace Blockset。其中Toolbox提供静态数据分析功能，而Blockset提供动态建模和部件建模与仿真的环境。

航空航天工具箱 提供 Simulink 参考示例和模块，用于建模、仿真和分析高保真飞机和航天器平台，可用于航天器、火箭、推进系统和无人驾驶飞行器等。内置的航空数学运算和坐标系和空间变换可以表示飞机和航天器的运动和方向。可以可视化模型的模拟结果。为构建可重复使用的车辆平台模型提供标准模型架构。这些平台模型可以支持飞行和任务分析；概念研究；详细的任务设计；制导、导航和控制 (GNC) 算法开发；软件集成测试；以及用于自主飞行、雷达和通信应用的硬件在环 (HIL) 测试。

功能


图1 工具箱模块

运动方程（Equations of motion）——三自由度和六自由度的刚体和点质量，可选择建模可变质量

环境（Environment）——标准模型中的重力、大气、风和天体现象

空气动力学（Aerodynamics）——飞行参数，如动态压力、入射角、侧滑角和攻击角

驱动、推进、控制、引导和导航组件（Actuation, propulsion, control, guidance, and navigation components）

可视化（Visualization）——连接到MATLAB图形和flightgear飞行模拟器

实用工具（Utilities）——单位转换、几何变换、四元数等

示例

使用 Simulink 和航空航天工具箱创建一个(3DOF）的串联旋翼直升机模型。





图2 关于飞行器的设计思想

1.建模：在升力和重力作用下对直升机机身建模。从 Aerospace Blockset > Equations of Motion > 3DOF库中添加3DOF模块；常量模块提供升力和重力加速度；Aerospace Blockset > Utilities > Unit Conversions库中添加 Velocity Conversion模块。建模如下图所示。



图3 3DOF飞机模型建模

2.转子力和力矩：为了更准确地模拟直升机的动力学，将两个转子力转换为等效的力和力矩。按照数据需求添加旋翼的升力和力矩，创建力矩子系统。在（1）的建模基础上添加模块如下图所示。



图4 添加转子的力矩子系统

3.环境：添加符合设定需求的建模环境影响模块，重力、经纬度和高度、地理位置参数等如下图所示。



图5 添加环境因素

4.空气动力：为进一步模拟仿真，设置Aerospace Blockset > Flight Parameters库下的Dynamic Pressure模块参数以使用稳定性空气动力系数计算飞机的空气动力学作用力和力矩。



图6 空气动力学系统

5.控制：在添加空气动力后俯仰力矩和重心和压力之间的偏移会导致模拟变得不稳定。为了解决问题，选择向转子中添加控制器：第一个控制器将对两个转子施加相等的力，以跟踪参考高度；第二个控制器将向转子施加相等或相反的力，以控制俯仰角。



图7 添加控制器

如下图示波器输出显示，在增加了控制器后直升机会爬升到一个稳定的1500米的高度。



图8 飞行器爬升至1500m后平稳飞行

6.动画：使用 Aerospace Blockset > Animation库中的MATLAB图形或通过连接到飞行模拟器可以可视化飞机和航天器的运动。按照需求添加模块参数并与3DOF的输出端口连接。具体设置如下图所示，模拟运行后会出现三维动画演示的飞行器飞行效果。



图9 飞行器动画设置

总结

本文通过简单介绍航空航天工具箱的功能及使用示例，帮助读者更好地了解MATLAB工具箱在实际建模工作中如何合理运用。

更多关于此工具箱的文档及示例请至MathWorks官网查看产品手册及技术案例分享。

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