系統仿真，是將被研究的對象按其特征抽象成模型，通過對模型的仿真操作及仿真結果的分析，探討和推斷對象本身所具有的性質及其運動變化規律的一門綜合性學科。當今世界，隨著軍事和科學技術的迅猛發展，仿真已成為各種復雜系統研制工作的一種必不可少的手段，據統計，采用系統仿真后，可使靶彈、實彈減少6%—30%，研制費用節省10%—40%，研制周期縮短30%—40%，尤其是在航空航天領域，仿真技術已是飛行器和衛星運載工具研制的關鍵技術。
基于PC機的飛行仿真系統可圍繞飛行器的研制、生產和使用的全部過程，包括對方案論證、技術指標確定、設計分析、生產制造、試驗測試、維護訓練和故障處理等各個階段進行全面的系統分析和評估，具有成本低、見效快、安全可靠和可重復利用等顯著優點。航空工業作為一門高科技、高投入、高風險的行業，不能沒有科學可靠的系統仿真理論、仿真方法和仿真試驗結果的支持。目前世界航空強國都建立有自己先進的飛行仿真系統實驗室，飛行仿真成為現代仿真技術發展的一個重要分支。
無人機飛行仿真在很大程度上就是指飛行控制系統仿真，它是以無人機的運動情況為研究對象，面向對象的復雜系統仿真。它首先按照無人機的飛行運動學、空氣動力學以及飛行控制原理等有關理論建立起相關的數學模型，然后以此模型為依托進行模擬仿真試驗和分析研究。
圖1 某型無人機飛行仿真
飛行仿真根據仿真模型類型及其實現方式的不同，可以分為以下三大類：
數字仿真就是建立數學模型，編好程序，在計算機上反復運行試驗。這種仿真試驗無需昂貴的系統，也無需模擬生成真實環境的各種物理效應設備，而是用計算機來再現和評價真實世界的實物特性。選擇合適的步長，可以實時運行，也可以非實時（欠實時或超實時）條件下運行。數字仿真尤其適用于研究開發初期的方案論證、設計階段和半物理仿真試驗前期的驗證。
如上圖所示，數字仿真通過想定研究科目，在計算機上設置飛機、目標、傳感器、環境等外特性參數，經過多次仿真及參數調整，從而對想定科目進行論證。
半物理仿真是將系統的部分實物（如控制系統的傳感器、控制計算機、伺服機構）接入回路進行的試驗。這種仿真試驗的被控對象動態特性通過建立數學模型，編程序在計算機上實現，此外要求有相應的模擬生成傳感器測量環境的各種物理效應設備。不同類型的傳感器要求不同類型的生產環境，例如氣壓傳感器要求有氣壓模擬裝置，角度、角速度傳感器要求有模擬轉臺等等。由于回路中接入實物，半物理仿真系統必須實時運行。
人在回路中房展是一種操作人員、飛行員、宇航員在系統回路中進行操縱的仿真試驗。這種仿真試驗要求有相應的形成人感覺環境的各種物理效應設備。而飛行器等被控對象的動態特性仍通過建立的數學模型在計算機上實現。這種仿真試驗能對飛行器性能、回路中操作人員的技能和素質、或者整個人機系統作出評價。人在回路中的仿真也必須實時進行。
半物理仿真是包含控制器實物、執行機構或傳感器等實物在內的實時系統仿真，加入實物可以進一步檢驗數學模型的正確性，準確調整系統參數和控制規律，同其他類型的仿真方法相比具有更高真實度的可能性，是仿真技術中置信度最高的一種方法。其主要由以下幾部分組成：
仿真計算機是運行和解算實體對象仿真模型和仿真環境程序的重要設備，是控制仿真系統的核心部分。它主要采用模塊化和層次化的方法描述實體對象，以運行速率要求為基準分成不同的速率模塊。如果一臺仿真計算機無法滿足實時性要求可以由多臺計算機協調處理。
上文說到，無人機飛行仿真在很大程度上就是指飛行控制系統仿真，將控制系統的運動規律抽象成數學方程的過程稱為控制系統建模。一般來說，建模是控制系統定量研究的基礎，是控制系統仿真研究的必經之路。在建模過程中，一般需要滿足相似、精確和相關等要求。所謂相似，就是用數學模型代替物理系統，不可能達到使兩者完全相等，只能要求兩者的動態過程相似，即兩個動態過程的狀態變量和時間對應保持比例不變。要達到這一點數學模型的類型必須與控制系統的類型相對應，模型階次必須與系統中包含的運動模態數對應，控制系統工作環境條件數學模型要與環境條件的類型相對應。在系統模型與控制系統相似的前提下還要做到精確，數學模型的數據必須精確的反映控制系統中的定量關系才能使數學模型和控制系統的動態過程相似。同一個控制系統處于不同的信息研究觀點可以寫出很多種數學模型，它們所包含的狀態變量、復雜程度、內容包含學科面的寬和窄各不相同，控制系統建模服務于研究目的，建模前要明確研究目的，系統模型應該只保留與研究目的相關的成分。
物理效應設備主要為半物理仿真提供模擬的物理環境，以復現仿真過程中的真實環境，根據仿真過程中物理量的數據情況分成兩種實現方案，其中一種方案是根據已有的有效數據轉換成模擬仿真中的物理量，已實現真實場景的復現；另一種方案是在缺少有效物理數據的情況下利用伺服控制回路得到相應的需求物理量。
仿真計算機通過模型解算得到物理效應設備的驅動信號，該信號根據不同的需求選用合適的接口卡，通過接口卡的數據轉換驅動物理效應設備，同時接口設備將實物系統的控制輸入信號傳給仿真計算機，形成了閉環控制。
圖7 一種典型的無人機飛控系統半物理仿真平臺原理框圖
在上圖所示的半物理仿真平臺中，無人機動力學數學模型、發動機模型、大氣環境模型、機載設備模型等在仿真計算機中進行數值解算，由仿真計算機的接口設備產生的驅動信號激勵物理效應設備，從而復現各傳感器的虛擬環境。仿真控制臺控制著整個仿真平臺的運行，包括初始參數設置、仿真平臺運行管理和仿真數據的記錄和保存。
MATLAB作為一種功能強大的科學計算軟件，已經得到廣泛的應用。在模擬飛機運動時可以很方便的通過Simulink進行建模，然后進行數字仿真，這樣就很容易的使開發人員從編寫復雜的數學求解的代碼中解脫出來。
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圖9 基于MATLAB/Simulink的數字仿真
圖10 MATLAB半物理仿真避障實現
圖11 MATLAB半物理仿真避障實現
在MATLAB下實現硬件在回路實時仿真，一般可以通過兩種渠道來完成，其一是在MATLAB環境中調用硬件系統關于接口的動態鏈接文件，使用硬件設備能夠和基于Windows操作系統的MATLAB進行數據交換，然后在通過軟件的編制將這些數據集成到Simulink中。第二種方式就是利用MATLAB的實時工具箱RTW進行硬件在回路仿真，通過目標鏈接的方式和Simulink聯系在一起，通過單獨的實時內核方式驅動外部硬件設備，完成系統實時控制。
對于第一種方式，理論上能夠完成硬件在回路仿真的任務，而且目前大多數外部設備制造商都向客戶提供其產品基于Windows平臺的驅動程序，實現起來并不復雜，但是由于Windows操作系統任務執行頻率并不高，并不能保證應用程序在實時情況下運行。對于像無人機飛控系統這樣對實時性要求非常高的對象而言，能否達到控制效果是個問題。在這樣的平臺上進行實時仿真試驗，如果試驗效果不太理想，很難說明到底是因為算法結構或參數設計不當的原因，還是因為該平臺實時性達不到要求的原因。
對于第二種方式，采用MATLAB的實時工具箱RTW實現控制任務，專用的實時內核代替Windows操作系統接管了實時控制任務，大大提高了系統的實時性，這種方式又分為單機型的Real-Time Windows Target方案和雙機型的xPC Target方案。
RTW（Real-Time Workshop）是該MATLAB軟件的重要組成部分。RTW與MATLAB可以實現無縫連接，既滿足了系統概念與方案設計等的需求，也為系統的技術實現或完成不同功能的系統實時操作試驗提供了方便，并且為并行工程的實現創造了一個良好的環境。
RTW是MATLAB圖形建模和仿真環境Simulink的一個重要的補充功能模塊，簡而言之，它是一個基于Simulink的代碼自動生成環境。它能直接從Simulink的模型中產生優化的、可移植的和個性化的代碼，并根據目標配置自動生成多種環境下的程序，利用它可加速仿真過程，提供知識產權保護，或生成在不同的快速原型化實時環境或產品目標下運行的程序，其特點如下：
（1）RTW支持連續時間、離散時間和混合時間系統，包括條件執行系統和非虛擬系統；
（2）RTW將Simulink外部模式的運行時監視器（Run-Time Monitor）與實時目標無縫集成在一起，提供極好的信號監視和參數調整界面；
（3）RTW支持S代碼生成器，可用來生成事件驅動型系統的有限狀態機代碼。
RTW提供了一個實時的開發環境——從系統設計到硬件實現的直接途徑。使用RTW進行實時硬件的設計測試，用戶可以縮短開發周期，降低成本。RTW可以將模型自動轉換為代碼，在硬件上運行動態系統的模型，同時還支持基于模型的調試。RTW十分適用于加速仿真過程、快速原型化、形成完善的實時仿真解決途徑和生成產品級嵌入式實時應用程序。
xPC半物理仿真目標是Math Works公司提供和發行的一個基于MATLAB RTW體系框架的輔助產品，可以將PC計算機轉變為一個實時系統，支持許多類型的I/O設備，提供S-function作為Simulink功能模塊的擴展。xPC目標采用宿主機——目標機的技術途徑，其中宿主機擁有運行MATLAB/Simulink，用Simulink模塊圖來創建模型，經進行非實時仿真，用RTW代碼生成器和C編譯器來生成可執行代碼，目標機執行所生成的代碼，通過以太網或串口連接實現宿主機和目標機之間的通信。
圖12 基于MATLAB/Simulink環境的xPC Target方案仿真系統原理圖
在主機上運行MATLAB、Simulink、RTW、xPC Target和C編譯器作為開發環境，可以生成實時應用程序運行在一臺xPC Target實時內核的目標機上。xPC Target實時內核保證了運行在PC硬件上實時程序的穩定性。可以通過MATLAB、命令行或者用戶主機的圖形界面（GUI）、標準的網絡瀏覽器或者目標機命令行來控制目標機上的程序的執行。在程序運行期間，可以交互的改變模型參數并且迅速獲取、觀察信號或者把它們保存起來做后續處理。通過目標GUI能直接觀察目標機上的信號和狀態信息，在目標機上運行xPC Target對已經安裝在目標機上的任何軟件不會產生影響，一旦重啟了目標機，就可以恢復成為一臺運行Windows、Linux或者其他計算機操作系統和應用軟件的計算機。
無人機飛行仿真是驗證無人機控制策略、故障診斷和優化航線等的主要方式，內容涉及無人機建模、仿真物理設備、仿真軟件開發、仿真工程實現以及仿真置信度分析等多個方面，本文只是對飛行仿真做了一個簡單的介紹，不足之處還請廣大讀者朋友批評指正。
主要參考文獻
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文章來源：蜂巢無人系統
