无人机仿真系统、无人机仿真方法及无人机

摘要

一种仿真系统、无人机、无人机仿真方法和无人机仿真装置，该仿真系统包括：电池模型(102)，用于根据无人机的上一时刻的状态信息与上一时刻的电池状态信息，模拟计算下一时刻的电池状态信息；及状态模型(101)，用于根据无人机的上一时刻的状态信息与下一时刻的电池状态信息，模拟计算下一时刻的状态信息。该仿真系统将电池参数作为仿真系统的一部分对无人机的运行进行仿真，使仿真更贴合实际。

说明书

技术领域

本发明涉及一种无人机仿真技术，尤其涉及一种无人机仿真系统与方法及采用该无人机仿真方法的无人机。

背景技术

现在有很多无人机仿真系统，可以在操纵者使用遥控器发出控制信号，然后仿真系统会根据控制信号和模拟出来的无人机飞行环境计算出接下来无人机的一系列动作，可以方便操纵者更好的了解和练习操纵无人机，也可以更好的了解无人机的特性，减少各种不必要的损失。

然而现有的无人机仿真没有针对电池的仿真，无法对无人机进行基于自身能源的飞行任务的仿真，没有电池仿真的无人机仿真无法将电池的因素考虑在内，但实际上电池是无人机飞行中的一个重要环节，环境温度、海拔等其他外界环境可能直接影响电池的性能进而影响无人机的动力性能，电池本身的容量也会限制无人机的续航时间，无人机不同的飞行任务对电量的消耗也不一样(一直悬停和一直在做各种暴力飞行动作的电流相差很大)，在没有电池仿真的无人机飞行仿真系统中会造成仿真结果和实际飞行结果相差很远，导致无人机飞行仿真丧失意义。

发明内容

有鉴于此，有必要提供一种无人机仿真系统、无人机仿真方法及采用该无人机仿真方法的无人机。

一种仿真系统，用于对无人机的运行进行模拟，所述仿真系统包括：电池模型，用于根据无人机的上一时刻的状态信息与上一时刻的电池状态信息，模拟计算下一时刻的电池状态信息；及状态模型，用于根据无人机的上一时刻的状态信息以及下一时刻的电池状态信息，计算所述无人机下一时刻的状态信息。

一种无人机，包括飞行控制系统，所述飞行控制系统包括如上所述的仿真系统。

一种无人机仿真方法，用于对无人机的运行进行模拟，所述仿真方法包括：获取上一时刻的无人机的状态信息和上一时刻的电池状态信息；根据上一时刻的无人机的状态信息及上一时刻的电池状态信息计算下一时刻的电池状态信息；根据下一时刻电池状态信息计算下一时刻的无人机状态信息；及根据下一时刻电池状态信息及下一时刻无人机状态信息调整无人机运行任务。

一种无人机仿真方法包括：显示仿真无人机的图像；获取用户的控制指令，并根据所述控制指令控制所述仿真无人机进行模拟仿真飞行；以及在所述仿真无人机的飞行过程中，实时显示所述仿真无人机的当前电量。

一种无人机仿真装置包括：显示装置，用于显示仿真无人机的图像；输入装置，与所述显示装置通讯连接，所述输入装置用于供用户输入控制命令，以控制所述仿真无人机进行模拟仿真飞行；其中，在所述仿真无人机模拟仿真飞行过程中，所述显示装置实时显示所述仿真无人机的当前电量。

所述仿真系统将电池参数作为仿真系统的一部分对无人机的运行进行仿真，使仿真更贴合实际。

附图说明

图1是本发明实施方式提供的一种无人机的结构示意图。

图2是本发明实施方式提供的一种无人机的飞行仿真系统的模块示意图。

图3是本发明实施方式提供的一种状态模型的模块结构示意图。

图4是本发明实施方式提供的一种电池模型的模块结构示意图。

图5为本发明实施方式提供的一种电池仿真方法的流程图。

图6为本发明电池模型的一种例示的电池放电曲线。

图7为本发明电池模型的另一种例示的电池放电曲线。

图8为本发明实施方式提供的应用在仿真装置上的一种电池仿真方法的流程图。

主要元件符号说明

无人机1

飞行控制系统10

飞行仿真系统100

动力模型101

运动学模型102

动力学模型103

电池模型104

电压模型1040

电流模型1041

温度模型1042

容量模型1043

内阻模型1044

故障模型1045

寿命模型1046

传感器模型105

噪声模型106

飞行控制模块110

驱动装置20

动力装置30

传感器40

数据记录单元50

收发器60

仿真装置2

显示装置22

输入装置24

如下具体实施方式将结合上述附图进一步说明本发明。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，当组件被称为“固定于”另一个组件，它可以直接在另一个组件上或者也可以存在居中的组件。当一个组件被认为是“连接”另一个组件，它可以是直接连接到另一个组件或者可能同时存在居中组件。当一个组件被认为是“设置于”另一个组件，它可以是直接设置在另一个组件上或者可能同时存在居中组件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

请参阅图1所示，本发明实施方式提供一种无人机1，所述无人机1可为无人飞行器(Unmanned Aerial Vehicle,UAV)、无人航天器、无人船、无人车等。所述无人飞行器可为旋翼飞行器、固定翼飞行器或固定翼与旋翼混合的飞行器。其中所述旋翼可为单旋翼、双旋翼、三旋翼、四旋翼、六旋翼及八旋翼等。在如下实施例中，所述飞行器1为旋翼无人飞行器。

所述无人机1包括飞行控制系统10、驱动装置20、动力装置30、传感器40、数据记录单元50、收发器60。

所述飞行控制系统10用于产生控制指令以控制所述无人机1的飞行，包括但不限于，控制无人机1的飞行速度、高度、姿态等。所述飞行控制系统10可从一无人机控制器(图未示)接收控制指令，或基于所述数据记录单元50记录的以往的飞行数据来产生控制指令。例如：所有的飞行指令都是通过无线方式从远程操控者发送至所述收发器60，再通过所述收发器60传输至所述飞行控制系统10。在另一实施方式中，所述无人机1上还可以装配有自动导航系统，所述自动导航系统可采用惯性测量单元(Inertial Measurement Unit，IMU)或GPS模块以使得所述无人机按照既定的航线飞行。所述飞行控制系统10根据通过预先设置好的航迹规划及自动导航系统的导航信息产生控制指令。所述飞行控制系统10包括飞行控制模块110，所述飞行控制模块110用于根据控制指令控制所述无人机的飞行。

所述驱动装置20可为任何可根据控制指令产生驱动力的驱动装置，例如：电机，包括直流电机(有刷电机或无刷电机)、交流电机。动力装置30可用于根据所述驱动装置20产生的驱动力使所述无人机1起飞、着陆、悬停，及在空中关于三个平移自由度以及三个旋转自由度运动。在本实施例中，所述动力装置30可包括一个或多个旋翼。所述旋翼可包括连接至一转轴的一个或多个旋翼叶片。所述旋翼叶片或转轴可被所述驱动装置20驱动而旋转，从而产生移动所述无人机1的推升力。虽然在本实施例中，所述无人机1的动力装置30被描述为包括1个或多个旋翼，但是可以理解的是，在无人机为其他类型的平台时，所述动力装置可为其他相对应的机构。

所述传感器40的数量和类型可为多个，包括但不限于，惯性测量单元、气压传感器、温度传感器、加速度传感器、位置传感器等。所述传感器40通过有线或无线的方式与所述飞行控制系统10通信连接，所述飞行控制系统10能从所述传感器40获得所述无人机1的各种飞行数据，包括但不限于，高度，加速度(俯仰、滚动，及偏航)，姿势，地理位置，速度，外部空气温度，及/或气压等。在一些实施方式中，所述传感器40还包括可视传感器，例如相机等，所述飞行控制系统10可以从所述可视传感器获取飞行过程中的环境图像等。所获取的各种飞行数据可被记录至所述数据记录单元50。所述数据记录单元50还可包括用于存储所述飞行数据的存储器。

所述收发器60用于与外部设备，例如移动终端或地面站或远程遥控装置无线通信连接，以收发飞行指令或飞行数据。所述收发器60可以为无线射频收发器。在所述实施例中，所述无线射频收发器可为用于执行收发微波信号的专用集成电路，其运行频率可在5.728GHz–5.85GHz的微波范围。所述无线射频收发器可通过天线接收和传输无线电信号。在其他实施方式中，所述收发器还可以采用蜂窝技术，卫星及广播等其他无线收发技术。其中所述蜂窝技术可包括第二代(2G)、第三代(3G)、第四代(4G)或第五代(5G)等移动通信技术。

所述飞行控制系统10还包括飞行仿真系统100，用于对所述无人机1的运行进行模拟，以便操纵者更好的了解所述无人机1的特性，从而更好地练习及操纵所述无人机1。所述仿真装置2用于设置仿真参数及/或接收飞行状态信息以显示所述飞行状态信息于所述仿真装置2上。例示地，所述仿真装置2可以为桌面计算机、膝上型电脑、平板电脑、智能手机等。所述仿真装置2可以通过移动通信技术等无线通信方式与所述无人机1通信连接。所述仿真装置2可包括，但不限于，显示装置22。所述显示装置22可用于显示仿真无人机的图像及飞行状态信息。所述显示装置22可与一输入装置24通信连接，用于接收所述输入装置24发出的指令。所述指令可包括仿真参数、飞行控制指令等。所述输入装置24可为手持装置的触摸屏或遥控器的操作件。在其他实施方式中，所述输入装置24也可为所述仿真装置2的一部分，例如，所述仿真装置2上设置的键盘或触摸屏。

请参阅图2所示，本发明所提供的飞行仿真系统100可包括，但不限于，状态模型101及电池模型102。所述状态模型101用于根据飞机的类型以及每个动力装置的动力参数，计算整个飞机的动力参数，能够模拟输出无人机在特定环境下运行的状态信息。所述电池模型102用于模拟电池状态与无人机的状态信息之间的关系，能根据无人机的上一时刻的状态信息与上一时刻的电池状态信息，模拟计算当前时刻的电池状态信息。所述电池模型102可根据当前飞行状态计算出当前电池的电流、电压、温度、容量、内阻的变化及故障的发生等数据。

可以理解的是，所述飞行仿真系统100还可以根据不同需要对该仿真系统的参数模型进行增减，需要更高精度的时候就需要加入更多其他的参数模型，当对精度要求不高的时候可以减少部分参数模型。

请参阅图3所示，所述状态模型101可包括，但不限于，动力模型1010、运动学模型1012、动力学模型1014、传感器模型1016及噪声模型1018。其中，所述动力模型1010定义为根据电机转速和螺旋桨的各种系数得出螺旋桨升力的一个模型；所述动力学模型1014为根据飞机的类型以及每个桨的动力参数，计算整个飞机的动力参数；所述运动学模型1012为根据飞机受到的外力计算飞机接下来的姿态位置等参数；所述传感器模型1016用于根据飞机的姿态位置等参数得出传感器的数据并且加入所述噪声模型1018输出的噪声数据；所述噪声模型1018用于根据所述传感器模型1016计算出的传感器数据输出噪声数据。在一些实施例中，所述动力模型1010与所述动力学模型1014可以合并为一个模型，所述动力模型1010是针对单个动力装置(例如单个螺旋桨)来说的，所述动力学模型1014是针对于整个飞机来说的，例如，6轴、8轴飞机等。

请参阅图4所示，本发明提供的电池模型102的一个实施例包括电压模型1020、电流模型1021、温度模型1022、容量模型1023、内阻模型1024、故障模型1025及寿命模型1026。

所述电压模型1020用于根据当前飞行状态计算出每个电芯的电压和电池的总电压。

所述电流模型1021用于根据当前飞行状态计算出电池每个电芯的电流和电池的总电流，该模型可以真实的模拟飞行器飞行过程中每个电芯的电流变化。

所述温度模型1022用于根据当前环境温度和电池电流等信息计算出电池当前的温度，该模型可以真实的模拟电池使用过程中的温度变化。

所述容量模型1023用于真实的模拟电池电量的变化以及各个电芯电量的变化。

所述内阻模型1024用于根据当前环境温度和电池温度等信息计算出电池的内阻，可以真实的模拟电池使用过程中内阻的变化。

所述故障模型1025用于根据设定的不同故障类型的故障率模拟电池出现不同故障的情况，可以方便测试飞行器在电池故障时候的运行逻辑，可以方便开发人员快速测试飞行器运行逻辑，也可以帮助用户快速了解在这种少见的特殊情况下如何处理。

所述寿命模型1026用于根据电池的充放电次数和其他参数计算出电池的寿命，电池的寿命会影响其他的参数模型，这个也可以真实的模拟随着电池寿命的减少电池性能的变化。

可以理解的是，所述状态模型101和所述电池模型102还可以根据不同需要对该状态模型101及该电池模型102的参数模型进行增减，需要更高精度的时候就需要加入更多其他的参数模型，当对精度要求不高的时候可以减少部分参数模型。

图5为本发明实施方式提供的一种飞行仿真方法的流程图。根据不同需求，该流程图中步骤的顺序可以改变，某些步骤可以省略或合并。

步骤402，设置飞行仿真参数。在一些实施例中，所述飞行仿真参数可以是预设的缺省值。在另一些实施例中，所述飞行仿真参数的初始值也可以接收自所述仿真装置2。所述飞行仿真参数包括，但不限于，电池模型102的参数，例如：电芯电压、电池额定容量、电池内阻、待机电流、初始温度、初始电量、充放电次数等电池参数。在其他实施方式中，所述飞行仿真参数还可以包括飞行的环境参数及或飞行的航迹规划等。所述飞行的环境参数包括设置大气气压、温度、风速、风向、经度、纬度等。

步骤404，获取上一时刻的无人机状态信息及电池状态信息。所述无人机状态信息来源于所述飞行仿真系统的其他仿真模型，包括但不限于，动力模型1010、运动学模型1012、动力学模型103、电池模型102、传感器模型1016及噪声模型1018。本发明的一个实施例可以是，基于步骤402中所设置的航迹规划及/或环境设置，所述运动学模型1012计算出飞机所需的移动力(即升力)；所述动力模型1010及所述动力学模型103根据所述运动学模型1012所计算得出的飞机所需的移动力计算出电机转速和螺旋桨的各种系数。所述传感器模型根据所设置的航迹规划及/或环境设置、所述动力模型1010及所述动力学模型103计算出的电机转速及螺旋桨的各种系数计算飞行器的状态信息，包括，但不限于，角度、角速度、速度、高度、姿态、航向、经度、纬度等。

步骤406，根据所设置的飞行初始参数及所获取的上一时刻无人机状态信息计算下一时刻电池状态信息。

具体地，根据飞行初始参数及所获取的上一时刻无人机状态信息计算下一时刻电池状态信息的其中一个实施例可以是，所述电压模型1020根据所获取的飞行状态信息及环境设置计算出飞行过程中电池的电压变化。例如，在不同的环境下，电池的放电曲线是有差异的。请参阅图6及图7所示，为电池的放电曲线因环境温度的不同而变化。在常温环境下，电池的放电曲线是随着电量的减少电压逐步下降，而在零下10度的环境中，电池的放电曲线是先升后降的。例如图6中所示的放电曲线为满电的锂电池在常温的环境中放电时的电压容量曲线，电池充满电的时候电压只有4.35左右，随着放电时间增加，电池的电压也会随之下降，电池的容量也会随之下降。例如图7中所示的放电曲线(#1,#2,#3,#4,#5曲线)为满电的锂电池在零下10度的环境中以不同的放电电流进行放电时的电压容量曲线，电池充满电的时候电压只有3V左右，随着放电时间增加，电池的温度上升，电池的电压也会随之上升，上面的这份测试数据解释了为什么电压很低，但是容量百分比很高的现象。通过所述电压模型1020的仿真计算，可以模拟出不同环境下的电压变化，方便开发人员测试在这种环境下的飞行控制算法(因为低电压会影响飞机的飞行，例如升力会受到影响，但是电量此时还是很多的，所以不需要执行返航这些动作)，另一方面可以让用户更加直观的了解到这种情况，从而更好地控制飞行器的飞行。

所述容量模型1023根据所获取的上一时刻的无人机状态信息、电池状态信息及/或所设置的环境参数计算出飞行过程中电池的容量变化。具体可参图6及图7所示，电池容量随着仿真时间的推移而逐渐下降。在不同的环境温度下，电池容量的消耗速度会不同，通常来说，在越冷的环境下，电池容量的消耗会更快。飞行的速度、加速度、风速等都会对电池容量的消耗造成影响，例如，飞行瞬时加速度大时，所述电机的转速会相应提高，从而所消耗的电池容量也会相应加大。

所述电流模型1021根据所述容量模型1023计算出的容量变化与时间的比值计算出无人机运行过程中电池的电流变化。

所述温度模型1022根据所设置的环境温度和计算出的电池电流变化信息计算出无人机运行过程中电池的温度变化。环境温度身高会使得电池温度随之升高，充放电电压或电流流过大也会使得电池温度升高。

所述内阻模型1024根据无人机运行过程中环境温度和电池温度变化信息计算出无人机运行过程中电池的内阻变化信息。比如，环境温度和电池温度会引起电池内阻变化，电池内阻变大会使得电池温度升高，影响电池使用寿命。

所述故障模型1025用于根据所计算出的无人机运行过程中的电流变化、温度变化及内阻变化、所设置的环境参数及/或飞行任务或航迹规划计算电池出现不同故障的可能性。比如当电流超过阈值时可能电池的电路会断开连接。

所述寿命模型1026用于根据电池的充放电次数及其他参数(例如环境设置、飞行状态信息等)对电池寿命的影响计算电池寿命的变化。例如，环境温度对锂电池寿命有较大的影响。冰点以下环境有可能使锂电池在电子产品打开的瞬间烧毁，而过热的环境则会缩减电池的容量。再比如，飞行状态时的电机电流会影响电池的放电电流，过大的放电电压或放电电流都会降低电池使用寿命。

所述传感器模型1016用于根据飞机的姿态位置等参数得出传感器的数据并且加入所述噪声模型1018输出的噪声数据；所述噪声模型1018用于根据所述传感器模型1016计算出的传感器数据输出噪声数据。

步骤408，根据步骤406中计算得出的下一时刻的电池状态信息计算下一时刻的飞行状态信息。根据电池状态信息计算下一个时刻的飞行状态是无人机仿真内核计算的，计算的依据主要是电池电压，电池容量和电池的电流，计算出来的飞行状态包括但不限于，无人机的电机的电流，因为电流会影响下一时刻的电压和容量。

举个例子就是，如果当前时刻电池电压12V，电池容量还有1000mah，飞机的电流为5A，当前飞机保持悬停状态，那么无人机的仿真内核先计算悬停需要的升力，根据升力得到无人机螺旋桨需要的转速，根据转速和电机模型还有当前电压可以得知电机需要多大的电流才能维持需要的转速，也就是下一个时刻飞机的电流(比方说6A)，然后就可以算出下一个时刻电池的容量(1000mah–6000ma*0.02/3600H)，电池的电压模型可以得出容量和电压的关系，考虑到电池内阻模型和电流模型可以得出实际电池两端的电压(比方说变成了11.9V)，然后再这样不停的循环计算。

步骤410，所述飞行控制模块根据所述下一时刻的电池状态信息和下一时刻的飞行状态信息调整飞行任务。假定当前控制周期开始时点为T0，结束时为T1，模拟时长为T，则上所述计算出的电池状态信息为T0与T1时段之间的数据，当当前控制周期结束时，即T1时点的电池状态信息即可用来计算下一个控制周期的飞行状态信息。

根据所述下一时刻的电池状态信息和下一时刻的飞行状态信息调整飞行任务可以是自动的，也可以是基于用户操作的。例如下面几个情景：

无人机执行航点任务，整个过程都是无人控制的，航点间有几个自动充电基站，无人机执行航点任务的过程中发现当前电量只能到够到达最近的充电基站进行更换电池的时候就会自动执行更换电池命令，更换电池完成之后继续返回航点执行命令。

用户正在进行航拍操作，此时无人机发现当前剩余电量只能够返回记录的返航点的时候就会弹出提示框提醒用户，当前电量只能返航，请求进行返航操作，当然用户如果觉得不需要返回返航点也可以选择不执行返航。

请参阅图8所示，为应用于所述仿真装置2的仿真方法800的流程图。

步骤802，所述仿真装置2获取仿真无人机的状态模型参数或/及仿真无人机的电池模型参数。其中所述电池模型参数可包括，但不限于，电芯电压，电池设计容量，内阻，待机电流，初始温度，初始电量，充放电次数。所述状态模型参数可包括，但不限于，电机的动力参数，螺旋桨的动力参数。所述状态模型参数或/及所述仿真无人机的电池模型参数可通过与所述仿真装置2通信连接的手持装置的触摸显示屏或遥控器的操作件输入。

在一些实施例中，所述仿真装置2还可获取环境参数，所述环境参数可包括，但不限于，大气气压、温度、风速、风向、经度、纬度等。

在一些实施例中，所述仿真装置2还可获取上一时刻仿真无人机的状态信息，所述仿真无人机的状态信息包括，但不限于，角度、角速度、速度、高度、姿态、航向、经度、纬度等。

在一些实施例中，所述仿真装置2还可获取上一时刻的电池状态信息，所述上一时刻的电池状态信息可包括，但不限于，电池电流、电压、温度、内阻、容量。

在一些实施例中，所述仿真装置2还可获取飞行任务或航迹规划，根据所述飞行任务或航迹规划，所述仿真无人机可自动进行模拟仿真飞行。

上所述环境参数或/及上一时刻仿真无人机的状态信息、上一时刻的电池状态信息、飞行任务或航迹规划可通过与所述仿真装置2通信连接的手持装置的触摸显示屏或遥控器的操作件输入。

在一些实施方式中，上所述上一时刻仿真无人机的状态信息、上一时刻的电池状态信息也可来源自所述仿真无人机的飞行控制系统。

步骤804，所述仿真装置2通过其上设置的显示装置显示仿真无人机的图像。所述仿真无人机可为真实无人机或无人机仿真模型。

步骤806，所述仿真装置2接收用户指令，控制仿真无人机模拟飞行。在其他实施例中，也可以是预先设置飞行任务或航迹规划，所述仿真无人机根据该预先设置的飞行任务或航迹规划进行模拟仿真飞行。在一些实施例中，还可以是仿真无人机根据飞行任务或航迹规划自动进行模拟仿真飞行，在所述模拟仿真飞行过程中，所述仿真装置2可以根据用户输入干预所述仿真无人机的飞行。

步骤808，所述仿真装置2实时显示仿真无人机的电池状态信息。所述实时显示的无人机的状态信息可来源自所述仿真无人机。

步骤810，所述仿真装置2判断是否电池电量不足。例如，当电池当前电量仅够维持返航或低于返航所需电量时，所述仿真装置2可判断电池电量不足。

步骤812，所述仿真装置2发出电量不足的提示信息，所述提示信息可通过声音或视觉方式输出，例如扬声器输出的警示音或闪灯、语音播报等。

另外，对于本领域的普通技术人员来说，可以根据本发明的技术构思做出其它各种相应的改变与变形，而所有这些改变与变形都应属于本发明权利要求的保护范围。