一、引言

在當今科技飛速發展的時代，低空飛行器領域正經歷著前所未有的變革與發展。從私人和公共服務到城市和區域空中交通，從觀光旅游到大件貨物運輸，低空飛行器的應用場景日益廣泛。隨著低空經濟向無人化、智能化、協同化、綠色化方向邁進，對低空飛行器的性能、安全性和可靠性提出了更高的要求。

MATLAB 作為一款強大的科學計算和工程仿真軟件，在低空飛行器的設計、開發和測試過程中發揮著至關重要的作用。本文將深入探討 MATLAB 如何為低空飛行器提供全面的解決方案，涵蓋從概念設計到產品實現的各個環節。

二、MATLAB 在低空飛行器中的應用領域

(一)系統架構與工程設計

1.1 需求定義與架構優化MATLAB 提供了豐富的工具和方法，用于明確低空飛行器系統的需求。通過系統建模和分析，能夠優化系統架構，確保各個組件之間的高效協作。例如，在飛行器設計階段，可利用 MATLAB 對駕駛艙系統、航電系統、電源系統等進行建模，分析不同架構方案的性能和可行性。

1.2 飛行器動力學與控制

精確的飛行器動力學建模是實現穩定飛行的關鍵。MATLAB 中的相關工具箱，如 Aerospace Blockset 等，能夠構建高保真的飛行器動力學模型，包括空氣動力學、推進系統和運動學模型。這些模型可以用于模擬飛行器在不同飛行狀態下的性能，為飛行控制算法的設計和優化提供基礎。

在飛行控制方面，MATLAB 支持從控制律設計到控制器實現的全過程。通過仿真環境，工程師可以快速驗證控制算法的有效性，調整參數以滿足性能要求。例如，對于 VTOL(垂直起降)飛行器，MATLAB 可幫助設計傾轉旋翼飛行控制算法，實現垂直起降、懸停和前飛等不同模式之間的平穩過渡。

(二)測試、分析與認證

2.1 硬件在環仿真(HIL)

MATLAB 與 Speedgoat 等硬件平臺結合，實現了硬件在環仿真。在低空飛行器的開發中，這種仿真方式可以將真實的硬件組件(如飛行控制器、傳感器等)與虛擬的飛行器模型連接起來，進行實時測試。例如，灣流航空航天利用 MATLAB 和 Speedgoat 對飛機發動機進行硬件在環仿真，根據全權數字發動機控制器(FADEC)進行測試，驗證發動機控制系統的性能和可靠性。

2.2 飛行試驗數據分析

對于實際飛行試驗中采集的數據，MATLAB 提供了強大的數據分析工具。工程師可以對飛行數據進行處理、可視化和分析，評估飛行器的性能，診斷潛在問題。例如，在 NASA 蘭利的 VTOL 測試中，MATLAB 被用于分析試飛數據，幫助改進飛行控制律。

2.3 認證支持

滿足認證標準是低空飛行器進入市場的重要環節。MATLAB 提供了符合 DO - 178C 等標準的工具和流程，支持基于模型的開發和驗證。通過模型覆蓋分析、測試用例生成等功能，確保軟件的正確性和可靠性，助力飛行器通過相關認證。

關于 DO-254 以及 DO-178C 的流程表格可以在下方直接下載，后續也會通過文章詳細解析。

(三)自主系統與智能算法

3.1 感知與避障算法開發

隨著低空飛行器的智能化發展，自主感知和避障能力變得至關重要。MATLAB 的圖像處理、計算機視覺和機器學習工具箱可用于開發先進的感知算法，使飛行器能夠識別障礙物、地形和其他飛行器。例如，利用深度學習算法對傳感器數據進行處理，實現實時的障礙物檢測和避讓策略。

3.2 任務管理與路徑規劃

在執行各種任務時，低空飛行器需要高效的任務管理和路徑規劃能力。MATLAB 可以幫助設計任務調度算法，根據任務需求和環境條件規劃最優飛行路徑。例如，在物流無人機應用中，MATLAB 可根據貨物配送地點、地形和氣象條件等因素，規劃無人機的飛行路線，提高配送效率。

(四)電池系統與能源管理

4.1 電池性能建模與優化

對于電動低空飛行器，電池系統的性能直接影響其續航能力和可靠性。MATLAB 可用于建立電池模型，模擬電池的充放電過程、溫度變化和壽命特性。通過模型分析，工程師可以優化電池設計參數，選擇合適的電池材料和管理策略，提高電池性能。例如，Vertical 在為 VX4 設計電池系統時，應用 MATLAB 進行性能建模，考慮了內部需求、組件測試和外部飛行控制等因素，以實現電池性能的優化。

4.2 能源管理策略設計

MATLAB 還可以幫助設計能源管理策略，實現飛行器在不同飛行階段的能源優化分配。例如，在混合動力 VTOL 飛行器中，MATLAB 可根據電池電量、飛行任務需求和發動機工作狀態，動態調整動力源的使用，延長飛行器續航里程，提高能源利用效率。

三、實際案例分析

(一)Rolls - Royce 發動機控制系統

Rolls - Royce 利用 MATLAB 為所有發動機軟件實施基于模型的產品線。通過 Simulink 進行需求管理，采用敏捷方法，并根據 DO Qual Kit 完成 DO 工作流程。這種基于模型的開發方式提高了發動機控制系統的開發效率和質量，確保軟件符合航空航天行業的嚴格標準。MATLAB 提供的工具幫助 Rolls - Royce 在發動機控制算法設計、仿真驗證和代碼生成等方面實現了高效的工作流程，有效減少了開發周期和成本。

(二)Archer 空氣動力學模型實時并行化

Archer 在開發過程中，面臨高度非線性空氣動力學實時仿真的挑戰。MathWorks 團隊幫助其創建了工作流，支持在 Simulink 中運行多個并發神經網絡模型，實現了空氣動力學模型的實時并行化。這使得 Archer 能夠在桌面和飛行員模擬器等目標上進行實時仿真，有效評估飛行器在不同飛行條件下的空氣動力學性能，為飛行控制和飛行器設計提供了關鍵支持。通過 MATLAB 的強大計算能力和并行處理技術，加速了空氣動力學模型的仿真速度，提高了開發效率。(三)SkyDrive eVTOL 開發

SkyDrive 構建了基于 MATLAB 和 Simulink 的仿真環境，用于開發 eVTOL 的飛行控制單元(FCU)、電池和電池管理系統。在 FCU 開發中，利用 MATLAB 進行控制設計，簡化了開發流程。通過仿真測試電池溫度變化和其他物理特性，優化了電池和電池管理系統的設計。此外，SkyDrive 計劃實施全系統仿真，并使用基于模型的系統工程(MBSE)方法，縮短了開發過程，提高了安全驗證的效率。MATLAB 為 SkyDrive 提供了一站式的仿真和開發平臺，涵蓋了從控制算法設計到硬件系統測試的全流程支持。

四、MATLAB 的優勢與價值

(一)強大的建模與仿真能力

MATLAB 提供了豐富的工具箱和函數庫，能夠快速構建各種低空飛行器系統的模型，從簡單的物理模型到復雜的多學科耦合模型。其高效的仿真引擎可以在短時間內進行大量的仿真實驗，幫助工程師評估不同設計方案的性能，減少物理原型制作和測試的成本和時間。

(二)符合行業標準，支持適航

在航空航天領域，嚴格的標準和規范是確保飛行器安全可靠的關鍵。MATLAB 提供了符合 DO - 178C、ARP 4754A 等標準的工具和流程，支持基于模型的開發和驗證。這使得開發團隊能夠遵循行業最佳實踐，提高軟件和系統的質量，降低認證風險。

(三)廣泛的應用生態

MATLAB 擁有龐大的用戶社區和豐富的第三方資源，為低空飛行器的開發提供了廣泛的支持。用戶可以在社區中分享經驗、獲取解決方案，還可以利用第三方工具和插件擴展 MATLAB 的功能，滿足特定的需求。此外，MATLAB 與其他工程軟件和硬件平臺具有良好的兼容性，能夠無縫集成到現有的開發環境中。

(四)技術支持與培訓服務

MathWorks 提供完善的技術支持和培訓服務，幫助用戶充分發揮 MATLAB 的潛力。無論是遇到技術問題還是需要深入學習 MATLAB 的應用，用戶都可以獲得專業的幫助。培訓服務涵蓋了從基礎操作到高級應用的各個層面，確保團隊成員能夠熟練掌握 MATLAB 工具，提高工作效率。

五、結論

MATLAB 作為一款領先的科學計算和工程仿真軟件，為低空飛行器的發展提供了全方位的解決方案。從系統設計、測試分析到自主系統和能源管理，MATLAB 在各個環節都發揮著關鍵作用。通過這些案例分析，可以看到 MATLAB 可以 幫助企業提高開發效率、降低了成本、提升產品質量，加速了低空飛行器從概念設計到產品實現的進程。在未來，隨著低空經濟的持續發展和飛行器技術的不斷創新，MATLAB 將繼續在低空飛行器領域發揮重要作用。