一种四旋翼无人机硬件在环可视化仿真方法

摘要

一种四旋翼无人机硬件在环可视化仿真方法，属于四旋翼技术领域，包括无人机数字孪生模型、目标控制器模型和三维视景仿真系统三部分，利用无人机数字孪生模型建模；分析四旋翼无人机在起飞、巡航、悬停、降落的受力情况、动力学特征和性能指标，建立动力学方程和运动学方程；采用复杂系统建模法，在Simulink环境中构建的产品物理实体全要素的数字化映射，按照四旋翼无人机动力学特性进行构建。通过Mavlink协议的S‑Funtion进行通信；使用三维视景仿真系统中的曲面造型对无人机三维重塑；四旋翼无人机数字孪生模型能较好地跟随遥控器姿态控制指令，硬件在环可视化仿真姿态与姿态曲线变化一致，与实际姿态的航迹高度吻合，为后期控制算法的优化设计奠定了平台基础。

说明书

技术领域

本发明属于四旋翼技术领域，具体涉及一种四旋翼无人机硬件在环可视化仿真方法。

背景技术

四旋翼无人机由于体积小、重量轻、隐蔽性好、结构简单、成本低等优点在军事领域和民用领域都有着广阔的应用前景，在无人机研发过程中常需对飞机进行性能和品质的全面测试，消耗了大量的人力和财力，为了缩短研制周期，降低成本，无人机实际试飞前控制算法的仿真对于测试无人机的性能起着至关重要的作用，目前的仿真验证方法主要是数字仿真和半物理仿真，半物理仿真将系统部分实物引入仿真回路，尽可能真实模拟实际飞行状况，较数字仿真更能有效验证飞行控制系统的可靠性，尤其初期试飞调参及后期控制策略改进阶段应用广泛。

发明内容

为了解决测试无人机性能准确的问题，本发明提出：一种四旋翼无人机硬件在环可视化仿真方法，技术方案如下：包括无人机数字孪生模型、目标控制器模型和三维视景仿真系统三部分，建模使用的坐标系为机体坐标系和地球坐标系，其步骤如下：

S1、利用无人机数字孪生模型建模；

S2、通过Mavlink协议的S-Funtion进行通信；

S3、使用三维视景仿真系统中的曲面造型对无人机三维重塑；

其中，步骤S1包括：分析四旋翼无人机在起飞、巡航、悬停、降落的受力情况、动力学特征和性能指标，建立动力学方程和运动学方程；采用复杂系统建模法，在Simulink环境中构建的产品物理实体全要素的数字化映射，按照四旋翼无人机动力学特性进行构建；

所述目标控制器模型采用串级控制结构，外环采用比例P控制，内环使用PID调节。

进一步地，步骤S2包括：

S21、Robotics System Toolbox UAV Library工具箱里集成了Malink解析打包的函数，其中deserializemsg函数解析来自缓冲区的mavlink包；serializemsg函数打包成mavlink 包，通过com口发给PX4；

S22、编写MavlinkSerial_Receive和MavlinkSerial_Send函数，实现了Pixhawk与Simulink之间的通信；

S23、MavlinkSerial_Receive模块负责接收PX4并发给数字孪生模型的PWM控制信号，MavlinkSerial_Send模块负责将数字孪生模型的姿态数据发送给目标控制器。

进一步地，步骤S3包括：

S31、按照面向对象的设计方法，利用CATIA软件构建了四旋翼螺旋桨、电机和机臂三维模型；

S32、将设计好的配件模型按照实际尺寸和几何位置关系进行装配，复现四旋翼无人机的外观形状；

S33、把装配好的配件模型转化为STL格式，并导入AC3D中进行再组装和命名，并导入FlightGear中进行三维视景仿真。

进一步地，所述无人机数字孪生模型包括刚体运动动态模型、旋翼动力学模型和作动器模型，所述刚体运动动态模型包括运动学模型和动力学模型，步骤S11包括：采用四元数模型描述刚体运动动态，刚体动力学特性可描述为：

刚体运动学特性可描述为：

式中，e代表地球坐标系，b代表机体坐标系，

进一步地，四旋翼无人机的动力学模型中，四旋翼无人机的拉力和力矩是通过四个螺旋桨产生的，拉力产生三个方向的加速度，力矩产生三个方向上的旋转动量，四个电机产生的拉力总和

四个电机产生的力矩

其中，c

进一步地，四旋翼的无人机作动器模型由电调和无刷电机组成，为螺旋桨提供动力，输入是来自目标控制器的PWM信号，输出是电机转速

用上式描述延迟性能，其中T

进一步地，步骤S3中包括如下：按照面向对象的设计方法，利用CATIA软件构建了四旋翼螺旋桨、电机和机臂三维模型，利用曲面造型建立四旋翼螺旋桨三维模型，对无人机的每一个配件进行建模，将设计好的配件模型按照实际尺寸和几何位置关系进行装配，复现四旋翼无人机的外观形状，将无人机三维模型加载到FlightGear中进行三维可视化，把装配好的模型转化为STL格式，并导入AC3D中进行再组装、命名和预览，获得了主视图，侧视图，俯视图和三维视图，利用NASAL语言编写Xml可扩展标记语言文件配置无人机，其中编写Quadrotor-set.xml文件来指定飞机型号、场景、跑道等信息，同时编写 Quadrotor.xml文件调整飞行器的位置和姿态，Matlab/Aerospace Blockset库提供了与 FlightGear相关的接口模块，在Simulink中，利用Generate Run Script设置飞机型号、机场、跑道、仿真地址和目标ip，并生成一个bat文件来打开相应FlightGear界面；利用Pack net_fdm Packetfor FlightGear模块打包位置和姿态信息，采用Native-fdm数据协议由Send net_fdmPacket to FlightGear模块发送给FlightGear进行视景显示。

本发明的有益效果为：

基于数字孪生技术的建模方法，有效规避了底层复杂的数学建模问题。基于Robotics System Toolbox UAV Library编写的MavlinkSerial_Receive和MavlinkSerial_Send函数，有效解决了自驾仪与Simulink之间的通信问题。在CATIA环境中，基于曲面造型技术的方法构建四旋翼的三维模型，真实复现了四旋翼无人机。实验结果表明，四旋翼无人机数字孪生模型能较好地跟随遥控器姿态控制指令，硬件在环可视化仿真姿态与姿态曲线变化一致，与实际姿态的航迹高度吻合，为后期控制算法的优化设计奠定了平台基础。

附图说明

图1为四旋翼硬件在环仿真的系统架构；

图2为数字孪生模型；

图3为四旋翼运动动态模型；

图4为螺旋桨拉力模型；

图5为螺旋桨力矩模型；

图6为作动器框图；

图7为作动器Simulink模型；

图8为目标串级控制系统；

图9为目标控制器模型；

图10为硬件在环仿真实验通信测试平台；

图11为飞行中实际和期望姿态角曲线。

具体实施方式

一种实施例为一种四旋翼无人机硬件在环可视化仿真方法，如图1所示，包括无人机数字孪生模型、目标控制器模型和三维视景仿真系统三部分，建模使用的坐标系为机体坐标系和地球坐标系，其步骤如下：

S1、利用无人机数字孪生模型建模；

S2、通过Mavlink协议的S-Funtion进行通信；

S3、使用三维视景仿真系统中的曲面造型对无人机三维重塑；

其中，步骤S1包括：分析四旋翼无人机在起飞、巡航、悬停、降落的受力情况、动力学特征和性能指标，建立动力学方程和运动学方程；采用复杂系统建模法，在Simulink环境中构建的产品物理实体全要素的数字化映射，按照四旋翼无人机动力学特性进行构建；

如图8-图9所示，所述目标控制器模型采用串级控制结构，如图8(a)所示，外环采用比例P控制，如图8(b)所示，内环使用PID调节。

其中，如图2所示，所述无人机数字孪生模型包括刚体运动动态模型、旋翼动力学模型和作动器模型，所述刚体运动动态模型包括运动学模型和动力学模型，步骤S11包括：采用四元数模型描述刚体运动动态，刚体动力学特性可描述为：

刚体运动学特性可描述为：

式中，e代表地球坐标系，b代表机体坐标系，

根据刚体动力学特性表达式和刚体运动学特性表达式，使用Aerospace Blockset中的 CustomVariable Mass6DOF(Quaternion)模块构建四旋翼刚体运动动态模型，如图3所示。

其中，四旋翼无人机的动力学模型中，四旋翼无人机的拉力和力矩是通过四个螺旋桨产生的，拉力产生三个方向的加速度，力矩产生三个方向上的旋转动量，四个电机产生的拉力总和

四个电机产生的力矩

其中，c

其中，如图6所示，四旋翼的无人机作动器模型由电调和无刷电机组成，为螺旋桨提供动力，输入是来自目标控制器的PWM信号，输出是电机转速

用上式描述延迟性能，其中T

其中，步骤S2包括：如图10所示，

S21、Robotics System Toolbox UAV Library工具箱里集成了Malink解析打包的函数，其中deserializemsg函数解析来自缓冲区的mavlink包；serializemsg函数打包成mavlink 包，通过com口发给PX4；

S22、编写MavlinkSerial_Receive和MavlinkSerial_Send函数，实现了Pixhawk与Simulink之间的通信；

S23、MavlinkSerial_Receive模块负责接收PX4并发给数字孪生模型的PWM控制信号，MavlinkSerial_Send模块负责将数字孪生模型的姿态数据发送给目标控制器。

其中，步骤S3包括：如图11所示，

S31、按照面向对象的设计方法，利用CATIA软件构建了四旋翼螺旋桨、电机和机臂三维模型；

S32、将设计好的配件模型按照实际尺寸和几何位置关系进行装配，复现四旋翼无人机的外观形状；

S33、把装配好的配件模型转化为STL格式，并导入AC3D中进行再组装和命名，并导入FlightGear中进行三维视景仿真。

其中，步骤S3中包括如下：按照面向对象的设计方法，利用CATIA软件构建了四旋翼螺旋桨、电机和机臂三维模型，利用曲面造型建立四旋翼螺旋桨三维模型，对无人机的每一个配件进行建模，将设计好的配件模型按照实际尺寸和几何位置关系进行装配，复现四旋翼无人机的外观形状，将无人机三维模型加载到FlightGear中进行三维可视化，把装配好的模型转化为STL格式，并导入AC3D中进行再组装、命名和预览，获得了主视图，侧视图，俯视图和三维视图，利用NASAL语言编写Xml可扩展标记语言文件配置无人机，其中编写Quadrotor-set.xml文件来指定飞机型号、场景、跑道等信息，同时编写Quadrotor.xml 文件调整飞行器的位置和姿态，Matlab/Aerospace Blockset库提供了与FlightGear相关的接口模块，在Simulink中，利用Generate Run Script设置飞机型号、机场、跑道、仿真地址和目标ip，并生成一个bat文件来打开相应FlightGear界面；利用Pack net_fdm Packetfor FlightGear模块打包位置和姿态信息，采用Native-fdm数据协议由Send net_fdmPacket to FlightGear模块发送给FlightGear进行视景显示。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。