用户案例

Solar Impulse开发先进的太阳能飞机

挑战

研发一款能够环游全球的太阳能飞机

解决方案

使用MATLAB和Simulink创建用于权衡研究和设计权衡分析的系统模型,还有用于高保真度仿真 和飞行员培训的飞机动力学模型

结果

  • 提前做出关键设计决策
  • 支持关键的飞行员培训
  • 在整个开发过程中重复利用和共享模型

“必须通过MATLAB和Simulink进行仿真来评估可行性,评价大范围的设计权衡并进行详细的设计决策-例如控制表面的大小以及垂直尾翼-这些都会直接影响飞机动力学以及操控质量。”

Ralph Paul, Solar Impulse

Solar Impulse的目标是建造只需使用太阳能就能环游地球的飞机,从而推动可再生能源的利用。Solar Impulse HB-SIA原型向目标迈出了第一步,该原型只靠太阳可以不间断飞行26小时,并且没有产生任何污染性排放物。我们将通过HB-SIA获得的经验应用到HB-SIB飞机上,Solar Impulse计划使用该飞机参加2015年的环球飞行。

Solar Impulse工程师使用了MATLAB®和Simulink®来执行先进的权衡研究,在该研究中评估了设计权衡并确定了关键技术参数。在HB-SIA原型的设计和构建期间,他们使用MATLAB和Simulink来进行飞机动力学的建模和仿真,并且制作了一个用于试飞培训的飞行仿真器。

“MATLAB和Simulink让我们能够专注于高级别的建模和分析,而无需花过多精力来构建工具链或编写低级别代码”,Solar Impulse的飞行动力学和飞行测试主管Ralph Paul说道。“这些工具让我们可以迅速创建原型和进行迭代,这对像Solar Impulse这样前所未有的工程来说是必不可少的。”

挑战

在开始Solar Impulse工程时,没有人知道是否可以使用现有技术构建能够夜以继日飞行的太阳能飞机。第一个挑战是分析关键因素,包括太阳能电池效率、电池性能、翼展以及重量,并进行权衡分析,在太阳能收集和维持气动效率方面维持平衡。

初始权衡研究着重于一定小时数的性能,但是需要以短得多的时间尺度分析来评估飞行力学、气体力学和飞行质量。HB-SIA原型的设计和构建取决于精确的飞机仿真。Solar Impulse还测试了飞行员,他们需要飞行仿真器来复现Solar Impulse飞机的操控质量和飞行动力学。

HB-SIA飞机在旧金山湾上空试飞。Photo © Solar Impulse | Revillard | Rezo.ch

解决方案

Solar Impulse工程师在HB-SIA原型的研究、设计、开发和任务计划阶段都采用了MATLAB和Simulink。

他们使用Simulink来创建飞机的系统模型、结构属性和关键子系统,包括锂聚合物电池。该模型的早期仿真表明,太阳能电池所需的面积要求机翼达到80米;团队通过仿真并进行权衡,确定了最佳设计参数,实现了64米翼展。

随后,工程师们在Simulink中对飞机动力学进行建模,包括飞机的空气动力特性、机械控制系统、电机、推进器以及变速箱。仿真可以帮助团队验证设计并进行细致的调整。

为了创建HB-SIA的飞行仿真器,团队扩展了飞机动力学模型,同时添加了用于接受试飞控制S-function,以及用于视觉反馈的仿真飞行界面。

团队使用了MATLAB来开发机载空气数据计算机的算法,这些算法根据压力传感器速度计算风速和海拔高度。还使用了MATLAB来设计Omega仪器的原型算法,这种仪器用于报告飞机的倾斜角度以及飞行方向(精确到度)。

团队使用Control System Toolbox™评估自动驾驶系统要求并生成波特图来实现系统行为可视化。

在早期试飞后,工程师使用MATLAB分析了飞行数据。他们使用了分析结果来优化飞机动力学模型,估计传感器误差,并改进空气数据计算算法。

团队使用Polyspace®代码验证器分析了实现空气数据算法的C程序,并确定了潜在的运行时错误和不安全代码。

Solar Impulse在开发HB-SIB飞机的过程中使用了MATLAB和Simulink,并重复利用了经过修改的HB-SIA模型。

结果

  • 提前做出关键设计决策. “HB-SIA具有二面角机翼,其末端角度向上”,Paul说道。“在Simulink上进行的仿真让我们能够迅速而精确地确定可平衡飞行质量的角度、结构团队的要求以及太阳能效率。”

  • 支持关键的飞行员培训. “当飞行员转动舵进行转向时,飞机的机头刚开始在相对方向最多移动10度”,Paul说道。“我们的仿真预测到了这一点,但是更为重要的是,我们用Simulink构建的飞行仿真器让我们的飞行员学会了如何管理这一反直觉行为,尤其是对于着陆的最终阶段而言。”

  • 在整个开发过程中重复利用和共享模型. “我们在飞行仿真器中重复利用了我们的飞机动力学模型,并在飞行计划中重复利用了系统模型”,Paul说道。“跟低级别代码相比,Simulink框图使重复利用和让团队共享设计以及创意更为便利。”