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Custom Variable Mass 6DOF (Euler Angles)

사용자 지정 가변 질량에 대한 6자유도 운동 방정식의 오일러 각 표현 구현

• 

라이브러리:
Aerospace Blockset / Equations of Motion / 6DOF

Custom Variable Mass 6DOF (Euler Angles) 블록의 대체 구성:
6DOF (Euler Angles) | Simple Variable Mass 6DOF (Euler Angles)

설명

Custom Variable Mass 6DOF (Euler Angles) 블록은 사용자 지정 가변 질량의 6자유도 운동 방정식을 오일러 각도로 표현합니다. 이 모델은 평탄 지구 기준 프레임(X_e, Y_e, Z_e)을 중심으로 바디 고정 좌표 프레임(X_b, Y_b, Z_b)이 회전하는 경우를 고려합니다. 오일러 각도에 대한 자세한 내용은 알고리즘 항목을 참조하십시오.

Custom Variable Mass 6DOF (Euler Angles), 6DOF (Euler Angles) 및 Simple Variable Mass 6DOF (Euler Angles) 블록은 동일한 블록의 다른 구성 방식입니다.

• Custom Variable Mass 6DOF (Euler Angles) — 사용자 지정 가변 질량에 대한 6자유도 운동 방정식의 오일러 각 표현 구현

• 6DOF (Euler Angles) — 6자유도 운동 방정식의 오일러 각 표현 구현

• Simple Variable Mass 6DOF (Euler Angles) — 단순 가변 질량에 대한 6자유도 운동 방정식의 오일러 각 표현 구현

제한 사항

이 블록은 가해지는 힘이 바디의 무게 중심에 작용한다고 가정합니다.

포트

입력

F_xyz — 바디 프레임에서 질량 중심에 가해지는 힘

3-요소 벡터

바디 프레임에서 질량 중심에 가해지는 힘으로, Units에 명시된 단위의 3-요소 벡터로 지정됩니다. 프레임에 대한 자세한 내용은 Body Coordinates 항목을 참조하십시오.

데이터형: double

M_xyz — 바디 프레임에서 질량 중심을 기준으로 바디에 작용하는 모멘트

3-요소 벡터

바디 프레임에서 질량 중심을 기준으로 바디에 작용하는 모멘트로, Units에 명시된 단위의 3-요소 벡터로 지정됩니다. 프레임에 대한 자세한 내용은 Body Coordinates 항목을 참조하십시오.

데이터형: double

dm/dt — 질량의 변화율

스칼라

하나 이상의 질량 변화율(질량이 증가하면 양수, 감소하면 음수)로, 스칼라로 지정됩니다.

종속성

이 포트를 활성화하려면 Include mass flow relative velocity를 선택하십시오.

데이터형: double

m — 질량

스칼라

질량으로, 스칼라로 지정됩니다.

데이터형: double

dI/dt — 관성 텐서 행렬의 변화율

3×3 행렬

관성 텐서 행렬의 변화율로, 3×3 행렬로 지정됩니다.

데이터형: double

I — 관성 텐서 행렬

3×3 행렬

관성 텐서 행렬로, 3×3 행렬로 지정됩니다.

데이터형: double

V_re — 상대 속도

3-요소 벡터

바디 고정 좌표축에서 질량이 바디에 축적(accretion)되거나 바디에서 소멸(ablation)되는 하나 이상의 상대 속도로, 3-요소 벡터로 지정됩니다.

종속성

이 포트를 활성화하려면 Include mass flow relative velocity를 선택하십시오.

데이터형: double

출력

V_e — 평탄 지구 기준 프레임에서의 속도

3-요소 벡터

평탄 지구 기준 프레임에서의 속도로, 3-요소 벡터로 반환됩니다.

데이터형: double

X_e — 평탄 지구 기준 프레임에서의 위치

3-요소 벡터

평탄 지구 기준 프레임에서의 위치로, 3-요소 벡터로 반환됩니다.

데이터형: double

φ θ ψ (rad) — 오일러 회전 각도

3-요소 벡터

x, y, z 축에 대한 오일러 회전 각도 [롤, 피치, 요]를 3-요소 벡터 형태로 라디안 단위로 표시합니다. 요, 피치, 롤 각도는 프레임 A에서 프레임 B(예: angle2dcm(yaw,pitch,roll,"ZYX"))로 변환할 때 z-y-x 오른손 법칙에 따른 내재적 수동 변환을 적용하여 구합니다.

데이터형: double

DCM_be — 좌표 변환

3×3 행렬

평탄 지구 좌표축에서 바디 고정 좌표축으로의 좌표 변환으로, 3×3 행렬로 반환됩니다.

데이터형: double

V_b — 바디 고정 프레임에서의 속도

3-요소 벡터

바디 고정 프레임에서의 속도로, 3-요소 벡터로 반환됩니다.

데이터형: double

ω_b (rad/s) — 바디 고정 좌표축에서의 각속도

3-요소 벡터

바디 고정 좌표축에서의 각속도로, 초당 라디안 단위의 3-요소 벡터로 반환됩니다.

데이터형: double

파라미터

메인

Units — 입력 및 출력 단위

Metric (MKS) (디폴트 값) | English (Velocity in ft/s) | English (Velocity in kts)

입력 및 출력 단위로, Metric (MKS), English (Velocity in ft/s) 또는 English (Velocity in kts)로 지정됩니다.

단위	힘	모멘트	가속도	속도	위치	질량	관성
Metric (MKS)	뉴턴	뉴턴-미터	제곱 초당 미터	초당 미터	미터	킬로그램	제곱 미터당 킬로그램
English (Velocity in ft/s)	파운드	피트-파운드	제곱 초당 피트	초당 피트	피트	슬러그(Slug)	제곱 피트당 슬러그(Slug foot squared)
English (Velocity in kts)	파운드	피트-파운드	제곱 초당 피트	노트	피트	슬러그(Slug)	제곱 피트당 슬러그(Slug foot squared)

프로그래밍 방식 사용

블록 파라미터: units

유형: 문자형 벡터

값: Metric (MKS) | English (Velocity in ft/s) | English (Velocity in kts)

디폴트 값: Metric (MKS)

Mass type — 질량 유형

Custom Variable (디폴트 값) | Simple Variable | Fixed

질량 유형으로, 다음 테이블에 따라 지정됩니다.

질량 유형	설명	다음에 대한 디폴트 값임
Fixed	질량이 시뮬레이션 전체에서 일정하게 유지됩니다.	6DOF (Euler Angles) 6DOF (Quaternion) 6DOF Wind (Wind Angles) 6DOF Wind (Quaternion) 6DOF ECEF (Quaternion)
Simple Variable	질량과 관성이 질량 변화율에 대한 함수로 선형적으로 변화합니다.	Simple Variable Mass 6DOF (Euler Angles) Simple Variable Mass 6DOF (Quaternion) Simple Variable Mass 6DOF Wind (Wind Angles) Simple Variable Mass 6DOF Wind (Quaternion) Simple Variable Mass 6DOF ECEF (Quaternion)
Custom Variable	질량과 관성의 변동을 사용자 지정할 수 있습니다.	Custom Variable Mass 6DOF (Euler Angles) Custom Variable Mass 6DOF (Quaternion) Custom Variable Mass 6DOF Wind (Wind Angles) Custom Variable Mass 6DOF Wind (Quaternion) Custom Variable Mass 6DOF ECEF (Quaternion)

Custom Variable을 선택하면 앞서 설명한 운동 방정식을 따르게 됩니다.

프로그래밍 방식 사용

블록 파라미터: mtype

유형: 문자형 벡터

값: Fixed | Simple Variable | Custom Variable

디폴트 값: 'Custom Variable'

Initial position in inertial axes [Xe,Ye,Ze] — 평탄 지구 좌표축에서의 위치

[0 0 0] (디폴트 값) | 3-요소 벡터

평탄 지구 기준 프레임에서의 바디의 초기 위치로, 3-요소 벡터로 지정됩니다.

프로그래밍 방식 사용

블록 파라미터: xme_0

유형: 문자형 벡터

값: '[0 0 0]' | 3-요소 벡터

디폴트 값: '[0 0 0]'

Initial velocity in body axes [U,v,w] — 바디 좌표축에서의 속도

[0 0 0] (디폴트 값) | 3-요소 벡터

바디 좌표축에서의 초기 속도로, 바디 고정 좌표 프레임에서의 3-요소 벡터로 지정됩니다.

프로그래밍 방식 사용

블록 파라미터: Vm_0

유형: 문자형 벡터

값: '[0 0 0]' | 3-요소 벡터

디폴트 값: '[0 0 0]'

Initial Euler orientation [roll, pitch, yaw] — 초기 오일러 방향

[0 0 0] (디폴트 값) | 3-요소 벡터

초기 오일러 방향 각 [롤, 피치, 요]로, 라디안 단위의 3-요소 벡터로 지정됩니다. z-y-x 회전 순서에 따라 롤, 피치, 요 각도를 지정하십시오.

프로그래밍 방식 사용

블록 파라미터: eul_0

유형: 문자형 벡터

값: '[0 0 0]' | 3-요소 벡터

디폴트 값: '[0 0 0]'

Initial body rotation rates [p,q,r] — 초기 바디 회전

[0 0 0] (디폴트 값) | 3-요소 벡터

NED 프레임을 기준으로 한 초기 바디 고정 각속도로, 초당 라디안(rad/s) 단위의 3-요소 벡터로 지정됩니다.

프로그래밍 방식 사용

블록 파라미터: pm_0

유형: 문자형 벡터

값: '[0 0 0]' | 3-요소 벡터

디폴트 값: '[0 0 0]'

Include mass flow relative velocity — 질량 유량 상대 속도 포트

off (디폴트 값) | on

이 체크박스를 선택하면 질량 유량 상대 속도 포트가 추가됩니다. 이것은 질량이 축적(accretion)되거나 소멸(ablation)되는 상대 속도입니다.

프로그래밍 방식 사용

블록 파라미터: vre_flag

유형: 문자형 벡터

값: off | on

디폴트 값: off

상태 특성

각 상태에 고유한 이름을 지정하십시오. 선형화 과정에서 블록 경로 대신 상태 이름을 사용할 수 있습니다.

• 단일 상태에 이름을 지정하려면 따옴표 사이에 고유한 이름을 입력하십시오(예: 'velocity').

• 여러 상태에 이름을 지정하려면 중괄호로 묶은 쉼표로 구분된 목록을 입력하십시오(예: {'a', 'b', 'c'}). 각 이름은 고유해야 합니다.

• 파라미터가 비어 있는 경우(' '), 이름이 할당되지 않습니다.

• 상태 이름은 이름 파라미터를 가진 선택된 블록에만 적용됩니다.

• 상태의 개수는 상태 이름의 개수로 정확히 나뉘어야 합니다.

• 상태보다 적은 수의 이름을 지정할 수 있지만, 상태보다 많은 이름을 지정할 수는 없습니다.

  예를 들어, 네 가지 상태를 가진 시스템에서 두 개의 이름을 지정할 수 있습니다. 첫 번째 이름은 처음 두 상태에 적용되며, 두 번째 이름은 마지막 두 상태에 적용됩니다.

• MATLAB^® 작업 공간에서 변수를 사용하여 상태 이름을 할당하려면 따옴표 없이 변수를 입력하십시오. 변수는 문자형 벡터, 셀형 배열 또는 구조체일 수 있습니다.

Position: e.g., {'Xe','Ye','Ze'} — 위치 상태 이름

'' (디폴트 값) | 중괄호로 둘러싸인 쉼표로 구분된 목록

위치 상태 이름으로, 중괄호로 묶인 쉼표로 구분된 목록으로 지정됩니다.

프로그래밍 방식 사용

블록 파라미터: xme_statename

유형: 문자형 벡터

값: '' | 중괄호로 둘러싸인 쉼표로 구분된 목록

디폴트 값: ''

Velocity: e.g., {'U','v','w'} — 속도 상태 이름

'' (디폴트 값) | 중괄호로 둘러싸인 쉼표로 구분된 목록

속도 상태 이름으로, 중괄호로 둘러싸인 쉼표로 구분된 목록으로 지정됩니다.

프로그래밍 방식 사용

블록 파라미터: Vm_statename

유형: 문자형 벡터

값: '' | 중괄호로 둘러싸인 쉼표로 구분된 목록

디폴트 값: ''

Euler rotation angles: e.g., {'phi','theta','psi'} — 오일러 회전 상태 이름

'' (디폴트 값) | 중괄호로 둘러싸인 쉼표로 구분된 목록

오일러 회전 각도 상태 이름으로, 중괄호로 둘러싸인 쉼표로 구분된 목록으로 지정됩니다.

프로그래밍 방식 사용

블록 파라미터: eul_statename

유형: 문자형 벡터

값: '' | 중괄호로 둘러싸인 쉼표로 구분된 목록

디폴트 값: ''

Body rotation rates: e.g., {'p','q','r'} — 바디 회전 상태 이름

'' (디폴트 값) | 중괄호로 둘러싸인 쉼표로 구분된 목록

바디 회전 속도 상태 이름으로, 중괄호로 둘러싸인 쉼표로 구분된 목록으로 지정됩니다.

프로그래밍 방식 사용

블록 파라미터: pm_statename

유형: 문자형 벡터

값: '' | 중괄호로 둘러싸인 쉼표로 구분된 목록

디폴트 값: ''

대체 구성

6DOF (Euler Angles) — 6자유도 운동 방정식의 오일러 각 표현 구현

6DOF (Euler Angles) 블록은 6자유도 운동 방정식을 오일러 각도로 표현합니다. 이 블록을 활성화하려면 Mass type을 Fixed로 설정하십시오.

라이브러리:
Aerospace Blockset / Equations of Motion / 6DOF

Simple Variable Mass 6DOF (Euler Angles) — 단순 가변 질량의 6자유도 운동 방정식에 대한 오일러 각 표현 구현

Simple Variable Mass 6DOF (Euler Angles) 블록은 단순 가변 질량의 6자유도 운동 방정식에 대한 오일러 각 표현을 구현합니다. 이 블록을 활성화하려면 Mass type을 Simple Variable로 설정하십시오.

라이브러리:
Aerospace Blockset / Equations of Motion / 6DOF

알고리즘

바디 고정 좌표 프레임의 원점은 바디의 무게 중심입니다. 이 바디는 강체로 가정되므로, 개별 질량 요소들 사이에 작용하는 힘을 고려할 필요가 없습니다. 평탄 지구 좌표계는 관성 좌표계로 간주되며, 이는 “고정된 별”에 대한 지구의 운동으로 인한 힘을 무시할 수 있게 해주는 훌륭한 근사치입니다.

바디 고정 좌표 프레임의 평행 이동은 아래와 같으며, 여기서 작용하는 힘 [F_x F_y F_z]^T는 바디 고정 프레임에 속합니다. Vre_b는 바디 좌표축에서의 상대 속도로, 질량 유량($$\dot{m}$$)은 이 속도로 바디 고정 좌표축에서 방출되거나 바디 고정 좌표축으로 유입됩니다.

$$\begin{array}{l}{\overline{F}}_b=\left[\begin{array}{c}{F}_x\\ F_y\\ F_z\end{array}\right]=m({\dot{\overline{V}}}_b+\overline{\omega }\times {\overline{V}}_b)-\dot{m}\overline{V}r{e}_b\\ A_{be}=\frac{{\overline{F}}_b+\dot{m}{\overline{V}}_{r{e}_b}}{m}\\ A_{bb}=\left[\begin{array}{c}{\dot{u}}_b\\ {\dot{v}}_b\\ {\dot{w}}_b\end{array}\right]=\frac{{\overline{F}}_b+\dot{m}{\overline{V}}_{r{e}_b}}{m}-\overline{\omega }\times {\overline{V}}_b\\ {\overline{V}}_b=\left[\begin{array}{c}{u}_b\\ v_b\\ w_b\end{array}\right],\overline{\omega }=\left[\begin{array}{c}p\\ q\\ r\end{array}\right]\end{array}$$

바디 고정 프레임의 회전 역학은 다음과 같으며, 여기서 작용하는 모멘트는 [L M N]^T이고, 관성 텐서 I는 원점 O를 기준으로 합니다.

$$\begin{array}{l}{\overline{M}}_B=\left[\begin{array}{c}L\\ M\\ N\end{array}\right]=I\dot{\overline{\omega }}+\overline{\omega }\times (I\overline{\omega })+\dot{I}\overline{\omega }\\ \\ I=\left[\begin{array}{ccc}{I}_{xx}& -I_{xy}& -I_{xz}\\ -I_{yx}& I_{yy}& -I_{yz}\\ -I_{zx}& -I_{zy}& I_{zz}\end{array}\right]\\ \\ \dot{I}=\left[\begin{array}{ccc}{\dot{I}}_{xx}& -{\dot{I}}_{xy}& -{\dot{I}}_{xz}\\ -{\dot{I}}_{yx}& {\dot{I}}_{yy}& -{\dot{I}}_{yz}\\ -{\dot{I}}_{zx}& -{\dot{I}}_{zy}& {\dot{I}}_{zz}\end{array}\right]\end{array}$$

바디 고정 각속도 벡터 [p q r]^T와 오일러 각의 변화율 $${[\dot{\varphi }\dot{\theta }\dot{\psi }]}^{\text{T}}$$ 사이의 관계는 오일러 각의 변화율을 바디 고정 좌표계로 변환함으로써 구할 수 있습니다.

$$\left[\begin{array}{c}p\\ q\\ r\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}\dot{\varphi }\\ 0\\ 0\end{array}\right]+\left[\begin{array}{ccc}1& 0& 0\\ 0& \cos \varphi & \sin \varphi \\ 0& -\sin \varphi & \cos \varphi \end{array}\right]\left[\begin{array}{c}0\\ \dot{\theta }\\ 0\end{array}\right]+\left[\begin{array}{ccc}1& 0& 0\\ 0& \cos \varphi & \sin \varphi \\ 0& -\sin \varphi & \cos \varphi \end{array}\right]\left[\begin{array}{ccc}\cos \theta & 0& -\sin \theta \\ 0& 1& 0\\ \sin \theta & 0& \cos \theta \end{array}\right]\left[\begin{array}{c}0\\ 0\\ \dot{\psi }\end{array}\right]=J^{-1}\left[\begin{array}{c}\dot{\varphi }\\ \dot{\theta }\\ \dot{\psi }\end{array}\right]$$

J를 역산하면 오일러 속도 벡터를 구하는 데 필요한 관계식이 도출됩니다.

$$\left[\begin{array}{c}\dot{\varphi }\\ \dot{\theta }\\ \dot{\psi }\end{array}\right]=J\left[\begin{array}{c}p\\ q\\ r\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}1& (\sin \varphi \tan \theta )& (\cos \varphi \tan \theta )\\ 0& \cos \varphi & -\sin \varphi \\ 0& \frac{\sin \varphi }{\cos \theta }& \frac{\cos \varphi }{\cos \theta }\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}p\\ q\\ r\end{array}\right]$$

항공우주 좌표계에 대한 자세한 내용은 Fundamental Coordinate System Concepts 항목을 참조하십시오.

참고 문헌

[1] Stevens, Brian, and Frank Lewis. Aircraft Control and Simulation, 2nd ed. Hoboken, NJ: John Wiley & Sons, 2003.

[2] Zipfel, Peter H. Modeling and Simulation of Aerospace Vehicle Dynamics. 2nd ed. Reston, VA: AIAA Education Series, 2007.

확장 기능

C/C++ 코드 생성
Simulink® Coder™를 사용하여 C 코드나 C++ 코드를 생성할 수 있습니다.

버전 내역

R2006a에 개발됨

R2025a: 6자유도 운동 방정식 블록 가속도 포트가 제거됨

가속도 포트가 제거됨에 따라, Custom Variable Mass 6DOF (Euler Angles)에 대해 Include inertial acceleration 파라미터가 Output mass properties for acceleration computation으로 대체되었습니다.

이 변경 사항과 관련하여 블록 파라미터와 출력 포트가 변경되었습니다:

블록	포트	파라미터
Custom Variable Mass 6DOF (Euler Angles)	dω b/dt 제거됨 Abb 제거됨 Abe 제거됨	Representation 제거됨

변경 결과 블록 출력 차원이 2차원 행 벡터(예: 2×N 벡터)에서 1차원 벡터 N으로 변경되었습니다. N은 요소 수를 나타냅니다.

참고 항목

6DOF (Euler Angles) | 6DOF (Quaternion) | 6DOF ECEF (Quaternion) | 6DOF Wind (Quaternion) | 6DOF Wind (Wind Angles) | Custom Variable Mass 6DOF (Quaternion) | Custom Variable Mass 6DOF ECEF (Quaternion) | Custom Variable Mass 6DOF Wind (Quaternion) | Custom Variable Mass 6DOF Wind (Wind Angles) | Simple Variable Mass 6DOF (Euler Angles) | Simple Variable Mass 6DOF (Quaternion) | Simple Variable Mass 6DOF ECEF (Quaternion) | Simple Variable Mass 6DOF Wind (Quaternion) | Simple Variable Mass 6DOF Wind (Wind Angles)

도움말 항목

• Fundamental Coordinate System Concepts