För att FOI ska kunna utvärdera duellen mellan helikopter och robot behövs en simulerings- modell av en helikopter. Denna modell kan integreras med simuleringsmodeller för robot och motmedel. Den sammanslagna modellen kan användas till att simulera och utvärdera den beskrivna duellen. Inom projektet 7HNQLVN +RWV\VWHPDQDO\V används simuleringsprogrammet ACSL/GM för att göra dessa simuleringar. För att visuellt presentera rörelsen av mål, robot och motmedel används ett grafiskt användargränssnitt AFE.
,PSOHPHQWHUDGVLPXOHULQJVPRGHOO
ACSL/GM är ett hierarkiskt blockorienterat simuleringsverktyg. Blocken kan ses som funk- tioner som förbinds med ledningar där in- och utdata skickas. ACSL/GM beskrivs utförligare i appendix F.
Den övergripande strukturen för den implementerade simuleringsmodellen av helikoptern visas i figur 6.1.
)LJXU 6LPXOHULQJVPRGHOO DY KRYUDQGH KHOLNRSWHU LPSOHPHQWHUDG L $&6/*0
Utdata från simuleringsprogrammet är flygplanets position, hastighet och attityd (Eulervink- lar). Respektive block beskrivs i följande avsnitt.
6LPXOHULQJRFKYLVXDOLVHULQJ
6.1.1 Initialvärde
Blocket ,QLW 9DOXHV innehåller de initialvärden som helikoptern tilldelas vid simuleringens startpunkt. Det är helikopterns initiala position, hastighet och vinkelhastighet samt attityd (Eulervinklar).
6.1.2 Referenssignal
Blocket 5HIHUHQV innehåller de signaler som de reglerade signalerna ska följa så exakt som möjligt, dvs referenssignalerna.
6.1.3 Styrning
Blocket 027,21&21752/ innehåller regulatorn för helikoptern, se figur 6.2.
)LJXU%ORFNHW027,21&21752/
Blocket &21752//(5innehåller LQ-regulatorn för roll-, tipp- och girvinkeln samt hastig- heterna i [-, \- och ]-led som beräknades i avsnitt 5.2. Utsignalerna från blocket
&21752//(5 är )X=X0 −δX+/U(U−U0 där X är de insignaler som ger jämvikt och som0
beräknas i blocket 8. I blocket 50 ;beräknas differensen (U −U0)som i detta fall blir noll eftersom U=([03 [07 [08 [09) och
0 0 0[ U = där = 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0
6LPXOHULQJRFKYLVXDOLVHULQJ
I blocket ;; beräknas skillnaden mellan tillstånden [ och jämviktspunkten [ som i0 blocket &21752//(5 används till att beräkna ett δX=/([−[0). Regulatorn strävar efter att helikoptern ska hamna i jämviktspunkten och då denna uppnåtts blir δX=0. Därmed blir
0 X
X = och helikoptern förblir i jämviktspunkten.
6.1.4 Dynamik
Blocket '<1$0,&6 i figur 6.3 innehåller helikopterns dynamik.
)LJXU%ORFNHW'<1$0,&6
Blocket NON /,1($502'(/ innehåller den olinjära modellen av Helikopter 9 som finns beskriven i appendix C.2. I blocket 9(/2&,7< $1*8/$59(/2&,7< beräknas helikop- terns hastigheter samt vinkelhastigheter i kroppsfasta koordinater utifrån tillstånden.
6.1.5 Kinematik
Kinematiken beräknas i blocket .,1(0$7,&6, se figur 6.4.
)LJXU%ORFNHW.,1(0$7,&6
Blocket svarar för beräkningen av Eulervinklarna (EUANGLES) och position (POS). I blocket &$/&8/$7( (8/(5 $1*/(6 beräknas derivatorna av Eulervinklarna enligt 2.1-
6LPXOHULQJRFKYLVXDOLVHULQJ
2.3. Därefter integreras Eulervinklarna fram. I blocket $LUFUDIW 7R (DUWK sker en transformation från kroppsfast till jordfast koordinatsystem, enligt ekvation 2.5. I blocket
9HORFLW\7R3RVLWLRQ integreras positionen fram ur hastigheterna.
9LVXDOLVHULQJL$)(
För att få ett användarvänligt gränssnitt integreras simuleringsmodellen i ACSL/GM med AFE (Advanced Front End). Med hjälp av AFE kan vyer (tredimensionella bilder) över heli- kopter, robot och motmedel presenteras. Man kan även rita grafer över variabler från simule- ringen.
Integreringen i AFE innebär att man ska definiera de variabler från den implementerade simu- leringsmodellen i ACSL/GM som ska skickas till AFE. Dessa variabler används för att rita upp grafer och för att bestämma hur helikoptern ska orienteras i de olika vyerna. Vyerna definieras genom att bestämma position och riktning för en “kamera”, och flera olika kamera- vinklar kan presenteras samtidigt. För en mer utförlig beskrivning av AFE se [1].
)LJXU 9LVXDOLVHULQJ DY VLPXOHULQJVPRGHOOHQ L $)( 7UH ROLND Y\HU YLVDU KHOLNRSWHUQ+HOLNRSWHUQVSRVLWLRQRFKDWWLW\GULWDVXSSLROLNDJUDIHU
6LPXOHULQJRFKYLVXDOLVHULQJ
I AFE kan helikoptern presenteras visuellt i realtid, men den bakomliggande simuleringen körs dock inte i realtid. På så sätt kan man direkt se hur givna styrsignaler påverkar helikopterns uppförande. Via vyer och grafer i AFE är det enklare att få en känsla för hur helikoptern uppför sig och användandet av simuleringsmodellen underlättas. Figur 6.5 visar hur en simulering i AFE kan se ut.
I AFE kan man variera värdena på olika startparametrar för att se hur helikoptern uppför sig. Figur 6.6 visar en dialogbox med de startparametrar som finns. Genom att ändra parametrarna init_roll, init_tipp och init_gir kan man variera helikopterns initiala attityd. Helikopterns initi- ala position styrs av parametrarna init_posx, init_posy och init_posz. Störsignalerna påverkar hur långt ifrån jämviktsläget helikoptern är då regleringen påbörjas.
)LJXU 6WDUWSDUDPHWUDU L $)( 3RVLWLRQ RFK DWWLW\G DQJHU KHOLNRSWHUQV LQLWLDOD SRVLWLRQ RFK DWWLW\G L GHW MRUGIDVWD NRRUGLQDWV\VWHPHW 6W|UVLJQDOHU DQJHUKXUOnQJWLIUnQMlPYLNWVSXQNWHQKHOLNRSWHUQEHILQQHUVLJGnVLPXOHULQJHQ E|UMDU
47
7 Slutsatser
5HVXOWDW
Arbetet har resulterat i en olinjär och en linjäriserad matematisk modell av en hovrande heli- kopter. Den linjäriserade modellen har använts till att designa ett styrsystem som håller heli- koptern hovrande och reglerar position och attityd. Två olika regulatorer har tagits fram. En där girvinkeln och hastigheter regleras med en LQ-regulator, och en som består av två LQ- regulatorer, där den ena styr helikoptern i girled medan den andra regulatorn reglerar position samt roll- och tippvinklarna. Båda reglersystemen uppfyller kravet att helikoptern ska räta upp sig då avvikelser i attityd förekommer initialt. Då båda reglersystemen gav likvärdiga resultat vid hovring är det inte nödvändigt att ha en separat regulator för girvinkeln. Modellen och reglersystemet har implementerats i en simuleringsmiljö och visualiserats i 3D-grafik. Simuleringsmodellen uppför sig helikopterlikt.
)RUWVDWWDUEHWH
För att få en fullständig simuleringsmodell av en helikopter bör man använda en matematisk modell som bygger på rörelse- och momentekvationerna i avsnitt 3.3. För att helikoptern ska kunna flyga till en godtycklig position måste en annan regulator implementeras, eftersom den regulator som nu används strävar efter att hålla helikoptern hovrande. Alternativt kan man in- föra styrning med joystick eller styrning via brytpunkter.
49
Referenser
Skriftliga referenser
[1] Eckerland, Johnny, AFE 2.3 – A general graphical user interface for simulation models, FOI-R—0048—SE, ISSN 1650-1942, 2001
[2] Flygvapnets kompendium Helikopteraerodynamik, 1990
[3] Ljung, L och Glad, T, Reglerteknik Grundläggande teori, Studentlitteratur, 1989, ISBN 91-44-17892-1
[4] Ljung, L och Glad, T, Reglerteori, flervariabla och olinjära metoder, Studentlitteratur, 1997, ISBN 91-44-00472-9
[5] Padfield, Gareth D, Helicopter Flight Dynamics, Brackwell Science Ltd, 1996, ISBN 0- 632-03248-0
[6] Prouty, Raymond W, Helicopter Performance, Stability and Control, PSW Publisher, 1986, ISBN 0-534-06360-8
[7] Pytel, A och Kiusalaas, J, Enginering Mechanics Statics and Dynamics SI Edition, Harper Collins College Publishers, 1996, ISBN 0-673-99872-X
[8] Tyngdpunktsberäkning, SFI HKP 9A, Försvarets Materielverk, FMV:FLYG, 1998-08-14
Muntliga referenser
51