CN112327668A - 一种中大型无人机建模与半物理仿真方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于无人机飞行仿真技术领域，公开了一种中大型无人机建模与半物理仿真方法及系统，中大型无人机建模与半物理仿真方法包括：中大型无人机图形化建模方法，用于中大型无人机图形化建模、仿真分析和实时C代码编译；半物理实时仿真方法，运行闭环仿真系统，提高半物理仿真系统的实时性，降低系统卡滞、阻塞现象对飞行控制器中控制律设计与参数优化的影响。本发明将无人机动力学模型从传统的视景系统中独立出来。采用Matlab/Simulink图形化的建模方法，不仅降低模型修改的难度，还提高了模型仿真与分析的可视化效果；独立运行于实时仿真计算机的无人机动力学模型，提高了半物理仿真的实时性、控制律参数设计与优化的准确性。

Description

一种中大型无人机建模与半物理仿真方法及系统

技术领域

本发明属于无人机飞行仿真技术领域，尤其涉及一种中大型无人机建模与半物理仿真方法及系统。

背景技术

飞行控制器是无人机的核心部件，它的研发和测试对于整个无人机系统的研制过程至关重要。无人机按照重量和飞行高度可划分为低慢小无人机和中大型无人机两大类。对于低慢小无人机，系统结构相对简单、成本低，飞行测试风险小，为控制系统研制周期，其飞行控制器的研发和优化主要依据实际飞行测试结果。中大型无人机结构复杂、成本高，飞行测试风险大，因此半物理仿真是中大型无人机飞行控制器研发的必然选择，是无人机模型仿真与分析、控制律参数设计与优化的主要手段。

无人机半物理仿真是指采用真实的控制器和数学模型进行系统仿真测试，也称为硬件在环仿真。比如常见的Pixhawk飞行控制器、QGroundcontrol地面站和xPlane视景系统组成的半物理仿真系统。在使用计算机进行无人机飞行控制时，虚拟空间内的飞行器不再是简单的立体图像，而是具有较高仿真程度的物理模型，包括重量、重心位置、重量分布、转矩、动力布置、启动特性等，飞行器的控制有实体控制器参与，能较为真实的模拟飞行和控制特性。但像xPlane这类视景系统中内嵌式无人机运动学模型和动力学模型，无人机模型修改复杂、可视化效果差，不利于研制初期中大型无人机的模型仿真与分析。

目前的xPlane、FlightGear等视景系统可内嵌无人机模型，所以视景系统兼具模型解算和三维可视化显示的功能。但这类系统大都采用多任务系统调度机制，不能严格按照固定周期实现模型的解算，系统实时性无法得到保障，偶尔会出现仿真堵塞、系统卡滞等问题。

解决以上问题及缺陷的难度为：

缺陷：模型修改复杂、可视化效果差，不利于研制初期中大型无人机的模型仿真与分析；出现仿真堵塞、系统卡滞等问题。

难度：上诉缺陷是由于现有方法是事件驱动的，模型没有解算完成、三维渲染，系统不进入下一步仿真流程。解决思路为事件驱动改为时间驱动，挑战在于依据实时仿真逻辑设计系统框架和定制接口协议。

解决以上问题及缺陷的意义为：

为中大型无人机飞行控制器研发提供新的研究手段，提高了模型可视化仿真与分析的可视化效果、控制律参数设计与优化的准确性。

发明内容

为了解决现有技术存在的现有中大型无人机建模与半物理仿真过程中建模复杂和实时性差的问题，本发明提供了一种中大型无人机建模与半物理仿真方法及系统。

本发明是这样实现的，一种中大型无人机建模与半物理仿真方法包括：

中大型无人机图形化建模方法，用于中大型无人机图形化建模、仿真分析和实时C代码编译；

半物理实时仿真方法，运行闭环仿真系统，提高半物理仿真系统的实时性，降低系统卡滞、阻塞现象对飞行控制器中控制律设计与参数优化的影响。

进一步，所述中大型无人机图形化建模方法包括：

在地面控制站中建立Matlab/Simulink图形化模型，通过可视化仿真结果，快速修正三轴力系数和三轴力矩系数无人机动力学模块参数；

利用Matlab内的RTW工具将图形化模型编译为C代码，下载至实时仿真计算机中，地面控制站远程控制模型解算程序的运行、暂停和结束。

进一步，所述半物理实时仿真方法包括：

实时仿真计算机运行中大型无人机动力学模型，并将实时解算的飞机状态数据发送至飞行控制器，同时接收飞行控制器发回的控制量数据；

地面控制站与飞行控制器通信，接收飞机状态数据和发送无人机控制指令；

三维视景系统与实时仿真计算机通信，接收飞机状态数据并进行三维显示；

油门杆和飞行杆的通过无线发射装置和无线接收装置发送至飞行控制器，操纵中大型无人机仿真飞行。

本发明的另一目的在于提供一种实现所述中大型无人机建模与半物理仿真方法的系统，该中大型无人机建模与半物理仿真系统包括：

实时仿真计算机，用于运行中大型无人机动力学模型，将实时解算数据提供给飞行控制器和三维视景系统；

飞行控制器，与所述实时仿真计算机相连接，用于实现中大型无人机的飞行控制，接收飞机状态数据，发送飞机升降舵、副翼、偏航和油门量等控制量至实时仿真计算机；

地面控制站，与所述实时仿真计算机相连接，用于中大型无人机动力学模型仿真分析和飞行控制，可将图形化模型编译为C代码下载至实时仿真计算机中，可远程控制程序运行、暂停和结束；

三维视景系统，与所述实时仿真计算机相连接，用于接收实时仿真计算机发来的飞行状态数据，依据无人机当前的位置进行三维可视化显示；

油门杆，通过USB接口连入无线发射装置，无线接收装置通过SBUS接口将操纵控数据发送至飞行控制器，用于产生中大型无人机油门和偏航操纵量数据；

飞行杆，通过USB接口连入无线发射装置，无线接收装置通过SBUS接口将操纵控数据发送至飞行控制器，用于产生中大型无人机俯仰和横滚操纵量数据；

无线发射装置，用于采集油门杆和飞行杆的操纵数据，转换为射频信号发射出去；

无线接收装置，用于接收无线发射装置的射频数据，并通过SBUS接口发送至飞行控制器。

进一步，所述实时仿真计算机包含串口和网口；

串口与飞行控制器第一串口相连，用于传输飞行状态数据和控制量数据；

网口用于与三维视景系统相连，用于传输飞行状态数据，网络通信采用UDP协议。

进一步，所述地面控制站包含串口和网口；

串口与飞行控制器第二串口相连，用于传输飞行状态数据和控制指令数据；

网口与实时仿真计算机相连，用于下载中大型无人机动力学模型，控制解算模型的运行、暂停和结束。

进一步，所述实时仿真计算机包括：通信接口模块、动力学模块和传感器模块；

通信接口模块将实时解算的飞机状态数据通过串口发送至飞行控制器，同时接收飞行控制器发回的飞机控制量数据，将飞机状态数据通过网口发送给三维视景系统；

动力学模块包含六自由度飞机模型、力和力矩计算模块；

传感器模块将动力学模块产生的数据转化为飞行控制器所需数据格式，包括气压值、磁传感器数据、陀螺仪数据和加速度数据。

进一步，所述的飞行控制器包含两个串口；

第一串口与实时仿真计算机相连，用于传输飞行状态数据和控制量数据；

第二串口与地面控制站相连，用于传输飞行状态数据和控制指令数据。

进一步，所述的飞行控制器的输入数据包括：实时仿真计算机的飞行状态数据、地面控制站的控制指令以及经无线发射装置和无线接收装置产生的油门杆和飞行杆操纵数据。

进一步，所述飞机状态数据包括三轴线加速度、三轴陀螺仪、三轴磁传感器、气压高度、温度、经度、纬度、高度、GPS水平精度因子、GPS垂直精度因子、GPS三轴速度、方位角、卫星定位类型和卫星数量。

结合上述的所有技术方案，本发明所具备的优点及积极效果为：

本发明将无人机动力学模型从传统的视景系统中独立出来。采用Matlab/Simulink图形化的建模方法，不仅降低模型修改的难度，还提高了模型仿真与分析的可视化效果；独立运行于实时仿真计算机的无人机动力学模型，能够按照固定周期实现解算，提高了半物理仿真的实时性、控制律参数设计与优化的准确性。本发明飞行仿真包平均解算时间为0.304ms。操纵信号采集时间不大于0.103ms。网络通信时间小于1ms。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对本申请实施例中所需要使用的附图做简单的介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的中大型无人机建模与半物理仿真系统结示意图。

图中：1、实时仿真计算机；2、飞行控制器；3、地面控制站；4、三维视景系统；5、无线发射装置；6、无线接收装置；7、油门杆；8、飞行杆。

图2是本发明实施例提供的现有技术半物理仿真系统结构图。

图3是本发明实施例提供的中大型无人机模型simulink结构图。

图4是本发明实施例提供的半物理实时仿真曲线图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种中大型无人机建模与半物理仿真方法及系统，下面结合附图对本发明作详细的描述。

本发明实施例提供一种中大型无人机建模与半物理实时仿真方法，所述方法包括：中大型无人机图形化建模方法和半物理实时仿真方法。

中大型无人机图形化建模方法，是指在地面控制站3中建立Matlab/Simulink图形化模型，使用者通过可视化仿真结果，能够快速修正三轴力系数和三轴力矩系数等无人机动力学模块参数。利用Matlab内的RTW工具可将图形化模型编译为C代码，下载至实时仿真计算机1中，地面控制站3可远程控制模型解算程序的运行、暂停和结束。

半物理实时仿真方法是指实时仿真计算机1、飞行控制器2、地面控制站3、三维视景系统4、无线发射装置5、无线接收装置6、油门杆7和飞行杆8所构成的闭环仿真系统，实时仿真计算机1与飞行控制器2无需通过中转而直接交联，提高了半物理仿真系统的实时性，降低了系统卡滞、阻塞等现象对飞行控制器2中控制律设计与参数优化的影响。

实时仿真计算机运行中大型无人机动力学模型，并将实时解算的飞机状态数据发送至飞行控制器，同时接收飞行控制器发回的控制量数据。地面控制站与飞行控制器通信，接收飞机状态数据和发送无人机控制指令；三维视景系统与实时仿真计算机通信，接收飞机状态数据并进行三维显示。油门杆和飞行杆的通过无线发射装置和无线接收装置发送至飞行控制器，操纵中大型无人机仿真飞行。

如图1所示，本发明实施例还提供一种中大型无人机建模与半物理仿真系统包括：实时仿真计算机1、飞行控制器2、地面控制站3、三维视景系统4、无线发射装置5、无线接收装置6、油门杆7以及飞行杆8。

实时仿真计算机用于运行中大型无人机动力学模型，将实时解算数据提供给飞行控制器和三维视景系统。

飞行控制器用于实现中大型无人机的飞行控制，接收飞机状态数据，发送飞机升降舵、副翼、偏航和油门量等控制量至实时仿真计算机。

地面控制站用于中大型无人机动力学模型仿真分析和飞行控制，可将图形化模型编译为C代码下载至实时仿真计算机中，可远程控制程序运行、暂停和结束。

三维视景系统用于接收实时仿真计算机发来的飞行状态数据，依据无人机当前的位置进行三维可视化显示。

无线发射装置用于采集油门杆和飞行杆的操纵数据，转换为射频信号发射出去。

无线接收装置用于接收无线发射装置的射频数据，并通过SBUS接口发送至飞行控制器。

油门杆用于产生中大型无人机油门和偏航操纵量数据。

飞行杆用于产生中大型无人机俯仰和横滚操纵量数据。

所述的实时仿真计算机包含串口和网口。串口与飞行控制器第一串口相连，用于传输飞行状态数据和控制量数据；网口用于与三维视景系统相连，用于传输飞行状态数据，网络通信采用UDP协议。

所述的地面控制站包含串口和网口。串口与飞行控制器第二串口相连，用于传输飞行状态数据和控制指令数据；网口与实时仿真计算机相连，用于下载中大型无人机动力学模型，控制解算模型的运行、暂停和结束。

实时仿真计算机1，硬件选用Pbox-4000嵌入式工控机，在VxWorks实时操作系统内运行中大型无人机模型解算软件，主要包括通信接口模块、动力学模块和传感器模块。通信接口模块将实时解算的飞机状态数据通过串口发送至飞行控制器2，同时接收飞行控制器2发回的飞机控制量数据，将飞机状态数据通过网口发送给三维视景系统4；动力学模块包含六自由度飞机模型、力和力矩计算模块；传感器模块将动力学模块产生的数据转化为飞行控制器2所需数据格式，包括气压值、磁传感器数据、陀螺仪数据和加速度数据。所述的飞机控制量数据包括升降舵、副翼、偏航和油门量。

飞行控制器2，硬件选用Pixhawk mini 2.4.6控制器，用于实现中大型无人机的飞行控制，内部运行控制律程序。飞行控制器2的输入数据包括：实时仿真计算机1的飞行状态数据、地面控制站3的控制指令以及经无线发射装置5和无线接收装置6产生的油门杆7和飞行杆8操纵数据。飞行控制器2的输出数据为飞机舵面控制量。所述的飞行控制器包含两个串口。第一串口与实时仿真计算机相连，用于传输飞行状态数据和控制量数据；第二串口与地面控制站相连，用于传输飞行状态数据和控制指令数据。

地面控制站3，硬件选用win10电脑，内部运行Matlab 2016b软件、RTSimPlus软件和飞行控制软件。Matlab 2016b软件用于中大型无人机图形化建模、仿真分析和实时C代码编译；RTSimPlus软件用于将无人机实时C代码下载至实时仿真计算机1，远程运行、暂停和结束无人机动力学模型解算；飞行控制软件用于中大型无人机飞行状态监视与控制。

三维视景系统4，选用定制化FlightGear 2.10软件，用于接收实时仿真计算机1发来的飞机状态数据并进行可视化显示。软件的部署可通过指定网络IP地址和端口号实现。所述的三维视景系统包含网口，与实时仿真计算机相连，用于传输飞行状态数据并三维显示，网络通信采用UDP协议。所述的飞机状态数据包括三轴线加速度、三轴陀螺仪、三轴磁传感器、气压高度、温度、经度、纬度、高度、GPS水平精度因子、GPS垂直精度因子、GPS三轴速度、方位角、卫星定位类型和卫星数量。

无线发射装置5，选用树莓派3B+开发板，用于采集油门杆7和飞行杆8操纵数据，通过OpenTX多协议高频头将数据发射出去。

无线接收装置6，选用Frsky D8接收机，用于接收无线发射装置5发来的油门杆7和飞行杆8操纵数据，并通过SBUS总线发送给飞行控制器2。

油门杆7，选用Thrustmaster A10C左右油门杆，用于产生中大型无人机油门和偏航操纵量。所述的油门杆通过USB接口连入无线发射装置，无线接收装置通过SBUS接口将操纵控数据发送至飞行控制器。

飞行杆8，选用Thrustmaster A10C右手摇杆，用于产生中大型无人机俯仰和横滚操纵量。所述的飞行杆通过USB接口连入无线发射装置，无线接收装置通过SBUS接口将操纵控数据发送至飞行控制器。

现有技术半物理仿真系统结构如图2，原系统以地面控制站为数据交换中心，模型解算位于三维视景系统内，事件驱动方式运行，实时与非实时混杂。

本发明提供的半物理实时仿真系统结构如图1所示，本发明新系统将模型解算从三维视景系统中独立出来，时间驱动方式运行，能够克服原有系统的缺陷。

图3是本发明实施例提供的中大型无人机模型simulink结构图。

图4是本发明实施例提供的半物理实时仿真曲线图。

在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上；术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”、“前端”、“后端”、“头部”、“尾部”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，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揭露的技术范围内，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种中大型无人机建模与半物理仿真方法，其特征在于，所述中大型无人机建模与半物理仿真方法包括：

中大型无人机图形化建模方法，用于中大型无人机图形化建模、仿真分析和实时C代码编译；

半物理实时仿真方法，运行闭环仿真系统，提高半物理仿真系统的实时性，降低系统卡滞、阻塞现象对飞行控制器中控制律设计与参数优化的影响。

2.根据权利要求1所述的中大型无人机建模与半物理仿真方法，其特征在于，所述中大型无人机图形化建模方法包括：

在地面控制站中建立Matlab/Simulink图形化模型，通过可视化仿真结果，快速修正三轴力系数和三轴力矩系数无人机动力学模块参数；

利用Matlab内的RTW工具将图形化模型编译为C代码，下载至实时仿真计算机中，地面控制站远程控制模型解算程序的运行、暂停和结束。

3.根据权利要求1所述的中大型无人机建模与半物理仿真方法，其特征在于，所述半物理实时仿真方法包括：

实时仿真计算机运行中大型无人机动力学模型，并将实时解算的飞机状态数据发送至飞行控制器，同时接收飞行控制器发回的控制量数据；

地面控制站与飞行控制器通信，接收飞机状态数据和发送无人机控制指令；

三维视景系统与实时仿真计算机通信，接收飞机状态数据并进行三维显示；

油门杆和飞行杆的通过无线发射装置和无线接收装置发送至飞行控制器，操纵中大型无人机仿真飞行。

4.一种实现如权利要求1至3任意一项所述中大型无人机建模与半物理仿真方法的系统，其特征在于，该中大型无人机建模与半物理仿真系统包括：

实时仿真计算机，用于运行中大型无人机动力学模型，将实时解算数据提供给飞行控制器和三维视景系统；

飞行控制器，与所述实时仿真计算机相连接，用于实现中大型无人机的飞行控制，接收飞机状态数据，发送飞机升降舵、副翼、偏航和油门量等控制量至实时仿真计算机；

地面控制站，与所述实时仿真计算机相连接，用于中大型无人机动力学模型仿真分析和飞行控制，可将图形化模型编译为C代码下载至实时仿真计算机中，可远程控制程序运行、暂停和结束；

三维视景系统，与所述实时仿真计算机相连接，用于接收实时仿真计算机发来的飞行状态数据，依据无人机当前的位置进行三维可视化显示；

油门杆，通过USB接口连入无线发射装置，无线接收装置通过SBUS接口将操纵控数据发送至飞行控制器，用于产生中大型无人机油门和偏航操纵量数据；

飞行杆，通过USB接口连入无线发射装置，无线接收装置通过SBUS接口将操纵控数据发送至飞行控制器，用于产生中大型无人机俯仰和横滚操纵量数据；

无线发射装置，用于采集油门杆和飞行杆的操纵数据，转换为射频信号发射出去；

无线接收装置，用于接收无线发射装置的射频数据，并通过SBUS接口发送至飞行控制器。

5.根据权利要求4所述的中大型无人机建模与半物理仿真系统，其特征在于，所述实时仿真计算机包含串口和网口；

串口与飞行控制器第一串口相连，用于传输飞行状态数据和控制量数据；

网口用于与三维视景系统相连，用于传输飞行状态数据，网络通信采用UDP协议。

6.根据权利要求4所述的中大型无人机建模与半物理仿真系统，其特征在于，所述地面控制站包含串口和网口；

串口与飞行控制器第二串口相连，用于传输飞行状态数据和控制指令数据；

网口与实时仿真计算机相连，用于下载中大型无人机动力学模型，控制解算模型的运行、暂停和结束。

7.根据权利要求4所述的中大型无人机建模与半物理仿真系统，其特征在于，所述实时仿真计算机包括：通信接口模块、动力学模块和传感器模块；

通信接口模块将实时解算的飞机状态数据通过串口发送至飞行控制器，同时接收飞行控制器发回的飞机控制量数据，将飞机状态数据通过网口发送给三维视景系统；

动力学模块包含六自由度飞机模型、力和力矩计算模块；

传感器模块将动力学模块产生的数据转化为飞行控制器所需数据格式，包括气压值、磁传感器数据、陀螺仪数据和加速度数据。

8.根据权利要求4所述的中大型无人机建模与半物理仿真系统，其特征在于，所述的飞行控制器包含两个串口；

第一串口与实时仿真计算机相连，用于传输飞行状态数据和控制量数据；

第二串口与地面控制站相连，用于传输飞行状态数据和控制指令数据。

9.根据权利要求4所述的中大型无人机建模与半物理仿真系统，其特征在于，所述的飞行控制器的输入数据包括：实时仿真计算机的飞行状态数据、地面控制站的控制指令以及经无线发射装置和无线接收装置产生的油门杆和飞行杆操纵数据。

10.根据权利要求4所述的中大型无人机建模与半物理仿真系统，其特征在于，所述飞机状态数据包括三轴线加速度、三轴陀螺仪、三轴磁传感器、气压高度、温度、经度、纬度、高度、GPS水平精度因子、GPS垂直精度因子、GPS三轴速度、方位角、卫星定位类型和卫星数量。

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