Hl20例子学习笔记（1）

MATLAB/SIMULINK向用户提供了许多例子（Demo），以帮助用户快速学习使用MATLAB/SIMULINK进行开发和科研。针对SIMULINK的的航空工具箱，MATLAB提供了一个非常优秀的例子——hl20。所有的库、模型、和开发应用都在路径.\MATLAB\R2010b\toolbox\aeroblks\aerodemos下面。下面针对该例子进行总结归纳，分析其总体思路和核心的技术点。

文件aeroblk_HL20.mdl为一个较为完整的例子，该例子展示了如何搭建一个完整的航天器的仿真模型。包括以下功能模块：

动力学模型计算传感器模型舵机模型制导律解算控制律解算辅助的数据可视化功能下面针对这些功能模块逐一进行分析和归纳。

（一）动力学模型从HL20动力学模型的外部接口可以开出，输入为舵机输入量和推力。舵机输入量一共有6个量：副翼、升降舵、方向舵、襟翼（3个）；可以发现三维推力被设定为[0 0 0],这是应为该例子演示的是HL20无动力返回的过程，所以发动机始终处于关闭状态，推力始终为零。

打开动力学模型可以发现，有5个模块，分别是

1）气动系数计算模块

2）气动力和力矩计算模块

3）标准6自由度刚体模型

4）大气环境模型

5）涉及气流环境的模型输出量解算模块

从这个模块可以发现以下的小技巧：

a)模型的输入量和输出量很多，一般采用总线，减少连线，而且不容易出错。

b)动力学模型标准输出量为：首先是标准刚体输出：NED速度（3D），NED位置（3D），欧拉角(3D),姿态角变换阵DCM(3*3)，机体速度（欧美系，3D），角速度（3D）,欧拉角微分（3D）,加速度（3D）；其次是马赫数，迎角和侧滑角。

c)模型中涉及到许多参变量，应该尽量采用变量的形式，在初始化中加载变量的数值。这样方便修改和进行逻辑判断。

d)尽量细分子模块，明确子模块的输入和输出，保持独立性，杜绝耦合。

启示与改进：

1）HL20是航天器，其模型的输入和输出与航空器存在较大区别。主要体现在控制舵面和输出量。直升机的控制舵面为总距、横向周期变距、纵向周期变距、尾桨距、油门；常规构型的固定翼飞机的控制舵面为油门，副翼，升降舵和方向舵，部分飞机还有襟翼。可以发现这里涉及到一个问题，发动机模型是否应该放在动力学模型中？答案是否定，发动机模型的输出量作为动力学模型的输入量，两个模块相互区分开。固定翼和直升机的发动机存在很大区别，固定翼飞机发动机用于提供推力，可以直接用于加速和减速，而直升机发动机则用于提供稳定转速。与旋翼之间还存在一个复杂的传动机构，这里不再赘述。

由于航天一般采用惯性导航系统，不使用GPS，而航空器广泛使用GPS，因此对位置量采用何种表示形式值得仔细推敲。模型是否应该输出经纬度？6自由度刚体模型输出NED位置偏移量，这是相对于起始位置的，如果已知起始位置的经纬度，可以很简单直接的计算出实时经纬度。问题是这个工作应该由动力学模型还是传感器模型完成？我认为应该由动力学模型完成。

2）量纲的选择。一般来说在模型计算时采用国际标准量纲，在传感器模块中将角运动单位由弧度转换为度。

3）坐标系的选择。目前机体多选择欧美坐标系，大地系多采用NED(north-eat-down)坐标系。这里面有个问题就是垂向速度的正负问题，在GPS,大气数据计算机，无线电高度表这些传感器都是向上为正，这符合人的一般认知习惯。