CN112572829B - 无人机飞行模拟方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了无人机飞行模拟方法及系统，涉及飞行模拟领域，方法包括S1初始数据导入地面站并传至无人机；S2根据模拟飞行状态参数及飞行计划获得执行机构输出指令，将其和周期性遥测数据传至地面站；S3地面站实时输出显示周期性遥测数据，根据模拟飞行状态参数、执行机构输出指令和无人机动力学模型获得下一拍的模拟飞行状态参数并传至无人机，进入S2；系统包括数据录入模块、仿真模块、飞控系统和显示模块；地面站具有动力学仿真计算能力，且无人机可进行飞行模式切换，地面站可以实时发送无人机飞行状态，因此不需要三轴转台就可以完成模拟飞行测试，无须定制夹具和线缆，降低经济和时间成本；简化整个“模拟飞行”，节省人员时间和精力。

Description

无人机飞行模拟方法及系统

技术领域

本发明涉及飞行模拟领域，尤其涉及一种无人机飞行模拟方法及系统。

背景技术

如图1所示，无人机飞行模拟的通常做法是在实验室通过三轴转台实现，具体而言：将飞控系统(含陀螺仪)放置于三轴转台上，外接舵机等执行机构，同时将输出指令接入仿真计算机，仿真计算机接收到各执行机构的指令后，实时运行无人机的动力学模型，计算出无人机的状态信息(位置、速度、加速度等)，通过有线的方式以及固定的数据格式将数据传给飞控系统，同时驱动转台运动，以便让飞控系统实时感知角速度信息，飞控系统收到所有信息后，根据任务指令及控制律，实时解算出所需的控制指令，并发送出去，如此周而复始，完成无人机的地面模拟飞行过程，但是该方法存在的问题是：三轴转台属于高精度高性能精密仪器设备，运行一次成本代价太高，费用量级可能与机载重要设备相当，故尤其不适用于中小型低成本无人机。

发明内容

本发明的目的就在于为了解决上述问题设计了一种无人机飞行模拟方法及系统。

本发明通过以下技术方案来实现上述目的：

无人机飞行模拟方法，用于无人机的半实物飞行模拟，地面站可进行仿真计算分析、状态监测以及人工操控，地面站与无人机通讯连接，包括以下步骤：

S1、初始数据导入地面站，并传输至无人机，初始数据包括模拟飞行状态参数；

S2、无人机根据模拟飞行状态参数获及当前飞行计划得无人机的执行机构输出指令，并将执行机构输出指令和周期性遥测数据传输至地面站，周期性遥测数据包括模拟飞行状态参数；

S3、地面站实时输出显示周期性遥测数据，并根据模拟飞行状态参数、执行机构输出指令和无人机动力学模型进行仿真计算获得下一拍的模拟飞行状态参数，将下一拍的模拟飞行状态参数传输至无人机，进入S2。

无人机飞行模拟系统，用于无人机的半实物飞行模拟，包括：

数据录入模块；数据录入模块用于录入初始数据；

仿真模块；仿真模块用于根据模拟飞行状态参数、执行机构输出指令和无人机动力学模型计算下一拍模拟飞行状态参数，仿真模块安装在地面站，仿真模块的信号输入端与数据录入模块的信号输出端连接；

飞控系统；飞控系统用于分析模拟飞行状态参数获得无人机的执行机构输出指令，飞控系统安装在无人机上，飞控系统的信号端与仿真模块的信号端连接；

显示模块；显示模块用于周期性遥测数据，显示模块的信号输入端与飞控系统的信号输出端连接。

本发明的有益效果在于：地面站具有动力学仿真计算能力，同时通过飞行模式的切换，可以实现地面站实时发送无人机模拟飞行状态参数的功能，因此不需要上三轴转台就可以直接通过地面站和无人机完成无人机的模拟飞行测试，也无须定制夹具和线缆，经济成本和时间成本显著下降，可适用于任何类型的无人机；且不上三轴转台，就不需要设置严格的飞行工况和突发情况的应急预案，简化整个“模拟飞行”准备工作，节省工作人员大量时间和精力；无人机机载及地面全部设备接入模飞系统，既考核了数据链路的通信过程，也模拟了飞行过程中人在回路的控制参与，更为全面及真实的模拟了实际飞行过程，使得“模拟飞行”结果更为全面和可靠。

附图说明

图1是三轴转台的飞行模拟拓扑关系图；

图2是本发明无人机飞行模拟方法的飞行模拟拓扑关系图；

图3是本发明无人机飞行模拟系统中地面站的显示界面；

图4是本发明无人机飞行模拟系统中地面进行实际飞行模式的显示界面；

图5是本发明无人机飞行模拟系统中地面进行模拟飞行模式的显示界面；

图6是本发明无人机飞行模拟系统中地面进行模拟飞行时的地面站航点设置图；

图7是本发明无人机飞行模拟系统中地面进行模拟飞行时的飞行轨迹图；

图8是本发明无人机飞行模拟系统中地面进行模拟飞行时的返航飞行轨迹图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作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。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”、“左”、“右”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，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，或者是本领域技术人员惯常理解的方位或位置关系，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设备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”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，“设置”、“连接”等术语应做广义理解，例如，“连接”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接连接，也可以通过中间媒介间接连接，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

下面结合附图，对本发明的具体实施方式进行详细说明。

如图2所示，无人机飞行模拟方法，用于无人机的半实物飞行模拟，地面站可进行仿真计算分析、状态监测以及人工操控，地面站与无人机通讯连接，包括以下步骤：

S1、初始数据导入地面站，并传输至无人机，初始数据包括模拟飞行状态参数和飞行模式，飞行模式包括模拟飞行模式和实际飞行模式；

S0、根据飞行模式切换无人机的飞行模式，若飞行模式为模拟飞行模式，则进入S2；若飞行模式为实际飞行模式，则进入实际控制飞行，实时采集无人机的飞行状态并传输至地面站，显示无人机的飞行状态；

S2、无人机获取“模拟飞行状态参数”后，将其作为自身“真实”飞行状态参数，根据模拟飞行状态参数及当前飞行计划计算出执行机构输出指令(包括舵机控制指令以及油门指令等)，并将执行机构输出指令和周期性遥测数据传输至地面站，周期性遥测数据包括模拟飞行状态参数；

S3、地面站实时输出显示周期性遥测数据，并根据模拟飞行状态参数、执行机构输出指令和无人机动力学模型(即：总体特性与气动特性)进行仿真计算获得下一拍的模拟飞行状态参数，将下一拍的模拟飞行状态参数传输至无人机，进入S2。

在S2和S3步骤中，地面操作人员可以在任意时刻切入参与无人机的飞行控制，直接调整执行机构输出指令，或者改变无人机的飞行计划，实现人在回路的参与控制，完全模拟真实飞行的全过程。

地面站指令除了飞行阶段切换、航点设置以及其它通用指令外，还包括与飞行测试相关的指令，飞行测试的相关指令包括单个舵面角度、油门大小、副翼、升降、方向舵以及经过飞控运算后的姿态、速度与高度指令等，通过实施这些相关指令可以检测飞控的控制精度、逻辑以及算法等的正确性，指令具体而言为：

单个舵面角度：地面站针对所有舵面均可单独发送任意角度指令，但该角度不超过舵面转动极值，无人机通过数据链接收到该指令后，将该指令转化为可驱动舵面运转的信号，使其转动指定的角度。

油门大小：地面站针对所有发动机均可单独发送0％-100％范围内任意大小指令，无人机收到该指令后，将该指令转化为可驱动发动机运转的信号，使其输出指定的油门比。

副翼/升降/方向：地面站可发送三个通道任意角度指令，但该角度不超过舵面转动极值，无人机收到该指令后，将该指令转化为该通道对应舵面的运转信号，使其转动指定的角度，转动的角度不随姿态变化；亦可同时发送三个通道角度指令，若是混控无人机，则经过运算处理后，向各舵面输出耦合后的转动信号。

姿态：地面站发送滚转/俯仰有效范围内任意角度指令，无人机收到该指令后，根据当前姿态信息与指令值，实时计算出副翼与升降的指令大小，再进一步计算出单个舵面须转动的角度信息，最后进行舵面信号的输出；舵面转动的角度会随着无人机姿态的改变而调整，当无人机姿态与地面站上传的指令一致时，各舵面转动角度应变为零。

速度：地面站发送速度指令，无人机收到该指令后，根据当前速度与指令值，实时计算出所需油门大小或升降指令(根据控制律不同而不同)，再转化为驱动发动机或舵面运转的信号，当速度指令为0时，发动机应停止运转，舵面应归零。

高度：地面站发送海拔高度指令，无人机收到该指令后，根据当前海拔高度与指令值，实时计算出升降指令或油门大小(根据控制律不同而不同)，再转化为驱动发动机或舵面运转的信号，当高度指令与当前海拔相同时，发动机应停止运转，舵面应归零。

无人机模拟飞行时，不再通过陀螺仪、加速度计以及高度计等传感器的信息计算无人机状态，而是直接由地面站注入“模拟飞行状态参数”，包括：位置(经纬度、高度)、姿态、速度、角速度以及加速度信息，无人机即认为该状态为自身“真实”飞行状态参数，根据该状态和任务指令综合计算出执行机构的控制指令，并发送给地面站。故无人机具备模飞时接收地面站上传“模拟飞行状态参数”的功能，此时传感器与飞控系统控制计算中断，因此，无人机新增的“模拟飞行”模式：具有屏蔽传感器采集、GPS接收、卡尔曼滤波、导航解算等功能；增加外部状态参数接收，并将其信息作为有效值传递至原导航解算计算出的各状态参数；将各执行机构的控制指令发送给地面站；具有“模拟飞行”模式与实际飞行模式的在线切换功能；且航点设置、制导控制、周期性下行通信则保持不变。

“模拟飞行”模式的设置分两种情况：一是手动录入状态参数，由操作人员通过点击“上传”进行状态参数的上传，上传后可通过无人机周期性遥测数据在地面站上监测其状态是否与录入的一致，该情况仅适用于无人机初始状态的设置；二是由地面站自动更新无人机状态参数并周期性上传，不需要操作人员的设置，该情况适用于“模拟飞行”运行过程中。后者的具体实现方法是根据前一拍无人机状态与舵机输出量以及调用无人机的动力学模型(即：总体特性、气动特性等文件)实时计算当前无人机的状态，并即时通过数据链发送给无人机，无人机按照当前状态与任务需求计算出执行机构的控制输出，再发送给地面站，如此周而复始，实现无人机的“模拟飞行”。

“模拟飞行”模式的实现需要上传无人机的模拟状态，因此，针对“模拟飞行”新增一组上下行通信协议，该协议的上行频率与组合导航解算的频率一致，以便模拟导航解算，由于其频率一般相对于无人机周期性下行频率较快，故数据内容应尽量少，仅包含“模拟飞行”必不可少的模拟飞行数据，包括：位置、姿态、速度、角速度、加速度(若控制律不涉及加速度信息，则加速度可略去)以及校验，该协议的下行频率与控制输出的频率一致，以便模拟真实的执行机构接收控制指令的过程，其数据内容仅包括各执行机构的输出量，当进入“模拟飞行”模式时，飞控系统实现该协议的功能也被激活，否则飞控无法实现该协议内容的收发。

无人机飞行模拟系统，用于无人机的半实物飞行模拟，包括：

数据录入模块；数据录入模块用于录入初始数据；

仿真模块；仿真模块接收到执行机构控制指令后，实时调用无人机动力学模型(即：总体特性与气动特性文件)进行动力学仿真，计算下一拍模拟飞行状态参数，仿真模块位于地面站，仿真模块的信号输入端与数据录入模块的信号输出端连接；

飞控系统；飞控系统用于接收模拟飞行状态参数，将其作为自身“真实”飞行状态参数，并计算出执行机构控制指令，飞控系统安装在无人机上，飞控系统的信号端与仿真模块的信号端连接；

显示模块；显示模块用于周期性遥测数据，显示模块的信号输入端与飞控系统的信号输出端连接。

无人机飞行模拟系统还包括用于切换无人机飞行模式的切换模块，飞行模式包括模拟飞行模式和实际飞行模式，数据录入模块还用于导入飞行模式，切换模块的信号输入端与飞控系统的信号输出端连接。

无人机飞行模拟系统还包括用于采集无人机飞行状态的采集模块，当飞行模式为模拟飞行模式时，采集模块与飞控系统通讯中断；当飞行模式为实际飞行模式，采集模块与飞控系统通讯连接。

无人机飞行模拟系统还包括通信模块，通信模块用于正常飞行和“模拟飞行”时地面与无人机之间的通信，分为机载端与地面端，机载端位于飞控系统，地面端位于地面站；正常飞行时，机载端将传感器信息传递给飞控系统进行计算，并将遥测信息通过数据链下传至地面站，地面端接收信息后在地面站实时显示；“模拟飞行”时，机载端从地面端直接接收模拟飞行状态参数，飞控系统将其作为自身“真实”飞行状态参数，并计算出执行机构控制指令，机载端将模拟飞行状态参数与执行机构控制指令一并通过数据链下传至地面站，地面端接收信息后，实时显示飞行状态参数，同时仿真模块进行动力学仿真，再将仿真后的下一拍模拟飞行状态参数上传至机载端。

选择无人机的飞行模式，当无人机处于实际飞行模式时，如图4所示，除“模式切换”功能有效外，模飞设置界面的其它文本及功能均不可用；当切至“模飞模式”时，如图5所示，该部分功能恢复可用，手动录入无人机初始状态，由于本次模拟弹射飞行，故俯仰角有一定角度。

初始状态录入完毕后，点击“状态上传”将其传至飞控系统，同时在地面站状态监控窗口查看周期性遥测数据是否与上传的数据一致，一致则证明模飞通信正常；同时将总体特性文件和气动特性文件写入地面站中，以便地面站在每次接收到无人机的飞控系统下发的控制指令后，调用该文件，计算出无人机当前的飞行模拟状态，从而进行实时输出模拟飞行结果。

如图6所示，此次模拟飞行的主要过程有：按航点飞行——定航点盘旋——切遥控控制——返航盘旋，故首先在地面站航点设置界面点选航点，设置完成后将其上传至无人机的飞控系统。

所有航点相对高度均为200m，4号航点与Home点(即发射点)水平位置重合。1号与2号航点为直飞航点，3号航点为盘旋航点，盘旋半径200m，盘旋方向为逆时针。

航点上传成功后，点击“模飞开始”即开始给无人机一个过载信号，模拟无人机弹射过程，使其开始飞行，飞行至安全高度后(默认50m)将朝着航点1飞行，然后顺序执行航点2、航点3的飞行，飞行至航点3后，将沿着航点3以200m半径逆时针盘旋，飞行航迹如图7所示。

图7和图8中，三角形为Home点，虚线为设置的航线，实线为模飞航迹，可见，无人机爬升至安全高度后，迅速朝着航点1飞行，当判断飞抵航点1后，沿着1-2航线朝航点2飞行，飞抵航点2后，沿着2-3航线朝航点3飞行，由于航点3为盘旋航点，故无人机会提前转为盘旋模式，沿着航点3盘旋。在盘旋过程中，地面站切换至遥控模式，由操作人员进行无人机的控制，控制一段时间后，地面站发送返航指令，返航过程如图8所示。

当无人机收到地面站返航指令后，首先朝着Home点飞行，当判断快飞抵时，提前转为绕Home点的盘旋飞行，返航盘旋模飞正常。

最后，点击“模飞结束”，停止发送实时数据，整个模飞过程结束。

地面站安装有具有仿真计算能力的仿真模块，同时无人机设置有可以进行飞行模式切换的切换模块，当无人机切换为模拟飞行模式时，地面站可以实时发送模拟飞行数据至无人机，飞控系统根据模拟飞行数据与当前飞行计划计算出执行机构控制指令，同周期性遥测一并传输至仿真模块，因此不需要三轴转台直接通过地面站和无人机便可以完成无人机的模拟飞行测试；由于不需要上三轴转台，所以也无须定制夹具和线缆，经济成本和时间成本显著下降，可适用于任何类型的无人机，同时也不需要设置严格的飞行工况和突发情况的应急预案，有效的简化整个“模飞”准备工作，节省工作人员大量时间和精力；无人机机载及地面全部设备接入模飞系统，既考核了数据链路的通信过程，也模拟了飞行过程中人在回路的控制参与，更为全面及真实的模拟了实际飞行过程，使得“模拟飞行”结果更为全面和可靠。

本发明的技术方案不限于上述具体实施例的限制，凡是根据本发明的技术方案做出的技术变形，均落入本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.无人机飞行模拟方法，用于无人机的半实物飞行模拟，地面站可进行仿真计算分析、状态监测以及人工操控，地面站与无人机通讯连接，其特征在于，包括以下步骤：

S1、初始数据导入地面站，并传输至无人机，初始数据包括模拟飞行状态参数和飞行模式，飞行模式包括模拟飞行模式和实际飞行模式；

S0、根据飞行模式切换无人机的飞行模式，若飞行模式为模拟飞行模式，传感器与飞控系统通讯中断，由地面站注入模拟飞行状态参数，无人机即认为该状态为自身真实飞行状态参数，根据该状态和任务指令综合计算出执行机构的控制指令，并发送给地面站，则进入S2；若飞行模式为实际飞行模式，传感器与飞控系统通讯连接，则进入实际控制飞行，实时采集无人机的飞行状态并传输至地面站，显示无人机的飞行状态；

S2、无人机根据模拟飞行状态参数及当前飞行计划获得无人机的执行机构输出指令，并将执行机构输出指令和周期性遥测数据传输至地面站，周期性遥测数据包括模拟飞行状态参数；

S3、地面站实时输出显示周期性遥测数据，并根据模拟飞行状态参数、执行机构输出指令和无人机动力学模型进行仿真计算获得下一拍的模拟飞行状态参数，将下一拍的模拟飞行状态参数传输至无人机，进入S2。

2.根据权利要求1所述无人机飞行模拟方法，其特征在于，在S2和S3步骤中，地面操作人员可以在任意时刻切入参与无人机的飞行控制，直接调整执行机构输出指令或者改变无人机的飞行计划。

3.无人机飞行模拟系统，用于无人机的半实物飞行模拟，其特征在于，包括：

数据录入模块；数据录入模块用于录入初始数据；

仿真模块；仿真模块用于根据模拟飞行状态参数、执行机构输出指令和无人机动力学模型计算下一拍模拟飞行状态参数，仿真模块安装在地面站，仿真模块的信号输入端与数据录入模块的信号输出端连接；

飞控系统；飞控系统用于分析模拟飞行状态参数获得无人机的执行机构输出指令，飞控系统安装在无人机上，飞控系统的信号端与仿真模块的信号端连接；

显示模块；显示模块用于周期性遥测数据，显示模块的信号输入端与飞控系统的信号输出端连接。

4.根据权利要求3所述的无人机飞行模拟系统，其特征在于，无人机飞行模拟系统还包括用于切换无人机飞行模式的切换模块，飞行模式包括模拟飞行模式和实际飞行模式，数据录入模块还用于导入飞行模式，切换模块的信号输入端与飞控系统的信号输出端连接。

5.根据权利要求4所述的无人机飞行模拟系统，其特征在于，无人机飞行模拟系统还包括用于采集无人机飞行状态的采集模块，当飞行模式为模拟飞行模式时，采集模块与飞控系统通讯中断；当飞行模式为实际飞行模式，采集模块与飞控系统通讯连接。

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