CN113806856A - 一种无人机纯数字仿真系统 - Google Patents

Abstract

本公开实施例中提供了一种无人机纯数字仿真系统，属于飞行器控制技术领域，包括：数据采集模块，通过对无人机的进行信息采集，以获得无人机相关的模型参数；上位机，在平台上的构建无人机六自由度模型，以便于基于所述六自由度模型模拟无人机的力学特征；下位机，下位机与上位机通信连接，对重新构建的模型执行可编辑代码重构；仿真开发平台，用于基于所述可编辑代码，设计无人机飞行控制系统。通过本公开的处理方案，能够通过数字仿真的方式来模拟无人机的飞行环境，降低了仿真系统的成本。

Description

一种无人机纯数字仿真系统

技术领域

本公开涉及飞行器控制技术领域，尤其涉及一种无人机纯数字仿真系统。

背景技术

无人机由于具备无须人为干预，可以快速部署等优点，被广泛应用到各行各领域。仿真系统是当前无人机中应用最为广泛的技术之一，其以专用物理效应设备以及计算机为工具，在一定的系统模型上试验假想或者真实的系统，通过分析研究试验结果，以做出最终决策。在计算机仿真系统中,操作人员为旁观者,可以根据自己的视点调节可视场景，基于虚拟现实,研发虚拟仿真系统，能够帮助解决遗留的人机交互缺乏的问题。

对于常规的无人机仿真系统而言，通常需要较多的硬件资源，导致仿真系统的开发进度较慢，同时费用较高，如何通过快速、低成本的方式开发无人机仿真系统，是需要解决的技术问题。

发明内容

有鉴于此，本公开实施例提供一种无人机纯数字仿真系统、装置及无人机，以至少部分解决现有技术中存在的问题。

本公开实施例提供了一种无人机纯数字仿真系统，包括：

数据采集模块，所述数据采集模块上含有多个传感器，通过对无人机的进行信息采集，以获得无人机相关的模型参数；

上位机，所述上位机中安装有无人机模型，用于基于模型参数和在平台上的构建无人机六自由度模型，模拟无人机的力学特征；

下位机，下位机与上位机通信连接，在上位机完成模型构建之后，对重新构建的模型执行可编辑代码重构；

仿真开发平台，用于基于所述可编辑代码，设计无人机飞行控制系统，所述无人机飞行控制系统能够在多操作系统平台上完成一体化无人机全过程飞行仿真和稳态飞行仿真。

根据本公开实施例的一种具体实现方式，所述仿真系统还包括：

存储器，所述存储器用于开发平台中无人机仿真数据进行存储，以便于基于存储的数据进行仿真回放。

根据本公开实施例的一种具体实现方式，所述仿真系统还包括：

远程控制模块，所述远程控制模块用于通过远程控制的方式对开发平台执行远程控制。

根据本公开实施例的一种具体实现方式，所述数据采集模块用于：

通过传感器采集无人机不同位置上无人机的受力值；

对无人机的受力值进行力学分析，以便于基于力学分析的结果，确定无人机的重心。

根据本公开实施例的一种具体实现方式，所述数据采集模块还用于：

构建以无人机的重心为坐标原点的无人机的机体坐标系；

通过将无人机驱动模块在所述机体坐标系中坐标标定，确定无人机动力驱动模块的坐标。

根据本公开实施例的一种具体实现方式，在上位机上构建无人机六自由度模型，包括：

在所述模型参数中选取与角动量相关的角动量参数，以便于基于角动量参数来计算无人机的角动量矩；

通过所述角动量矩，构建所述无人机的机体角运动模型；

基于所述角运动模型，生成无人机的六自由度模型。

根据本公开实施例的一种具体实现方式，在上位机上构建无人机六自由度模型，包括：

通过对预先获取的无人机驱动模块的参数值进行计算，得到所述驱动模块的输入向量，所述输入向量用以通过空间向量的方式来驱动所述无人机的运动；

基于所述输入向量，生成所述六自由度模型中的驱动力控制模块。

根据本公开实施例的一种具体实现方式，所述下位机还用于：

在模型编辑平台中对设计的模型执行代码转化，以便于将所述六自由度模型转换为可编辑的代码。

根据本公开实施例的一种具体实现方式，所述开发平台用于：

根据预先设计的软件功能，使用可编辑代码对无人机的交互功能进行设计和开发，在设计和开发之后，生成可执行的重构代码；

基于代码重构的结果，生成所述无人机飞行控制系统。

根据本公开实施例的一种具体实现方式，所述开发平台还用于：

通过通信接口将无人机数据输出至无人机视景平台，所述无人机视景平台能够对无人机数据进行解析和视觉重构，以便于通过视觉重构的结果动态展示无人机飞行效果。

本公开实施例中的一种无人机纯数字仿真系统实现方案，包括：数据采集模块，所述数据采集模块上含有多个传感器，通过对无人机的进行信息采集，以获得无人机相关的模型参数；上位机，所述上位机中安装有无人机模型，用于基于模型参数和在平台上的构建无人机六自由度模型，模拟无人机的力学特征；下位机，下位机与上位机通信连接，在上位机完成模型构建之后，对重新构建的模型执行可编辑代码重构；仿真开发平台，用于基于所述可编辑代码，设计无人机飞行控制系统，所述无人机飞行控制系统能够在多操作系统平台上完成一体化无人机全过程飞行仿真和稳态飞行仿真。通过本公开的处理方案，提高了无人机纯数字仿真系统实现的效率的同时，节省了系统开发的成本。

附图说明

为了更清楚地说明本公开实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本公开的一些实施例，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它的附图。

图1为本公开实施例提供的一种无人机纯数字仿真系统的结构示意图；

图2为本公开实施例提供的另一种无人机纯数字仿真系统的结构示意图；

图3为本公开实施例提供的另一种无人机纯数字仿真系统的结构示意图；

图4为本公开实施例提供的另一种无人机纯数字仿真系统的结构示意图；

图5为本公开实施例提供的另一种无人机纯数字仿真系统的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本公开实施例进行详细描述。

以下通过特定的具体实例说明本公开的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本公开的其他优点与功效。显然，所描述的实施例仅仅是本公开一部分实施例，而不是全部的实施例。本公开还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本公开的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。基于本公开中的实施例，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，都属于本公开保护的范围。

需要说明的是，下文描述在所附权利要求书的范围内的实施例的各种方面。应显而易见，本文中所描述的方面可体现于广泛多种形式中，且本文中所描述的任何特定结构及/或功能仅为说明性的。基于本公开，所属领域的技术人员应了解，本文中所描述的一个方面可与任何其它方面独立地实施，且可以各种方式组合这些方面中的两者或两者以上。举例来说，可使用本文中所阐述的任何数目个方面来实施设备及/或实践方法。另外，可使用除了本文中所阐述的方面中的一或多者之外的其它结构及/或功能性实施此设备及/或实践此方法。

还需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本公开的基本构想，图式中仅显示与本公开中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

另外，在以下描述中，提供具体细节是为了便于透彻理解实例。然而，所属领域的技术人员将理解，可在没有这些特定细节的情况下实践所述方面。

本公开实施例提供一种无人机纯数字仿真系统。本实施例提供的一种无人机纯数字仿真系统可以由一计算装置来执行，该计算装置可以实现为软件，或者实现为软件和硬件的组合，该计算装置可以集成设置在服务器、客户端等中。

实施例1

参见图1，本公开实施例中的一种无人机纯数字仿真系统，包括：数据采集模块、上位机、下位机和仿真开发平台。

数据采集模块，所述数据采集模块上含有多个传感器，通过对无人机的进行信息采集，以获得无人机相关的模型参数。

不同的无人机具有不同的型号，为此，需要将进行仿真的无人机进行受力分析。通过受力分析，可以获得无人机的受力特性，进而基于该受力特征提取无人机的参数。

具体的，可以通过数据采集模型上设置的多个传感器通过传感器采集无人机不同位置上无人机的受力值；对无人机的受力值进行力学分析，以便于基于力学分析的结果，确定无人机的重心。

在获得无人机的重心之后，可以构建以无人机的重心为坐标原点的无人机的机体坐标系；基于所述机体坐标系，确定无人机动力驱动模块(例如，无人机旋翼)的坐标。

上位机，所述上位机中安装有无人机模型，用于基于模型参数和在平台上的构建无人机六自由度模型，模拟无人机的力学特征。

具体的，可以在上位机中预先安装matlab平台中包括的多个模块，从matlab的封装库中选择无人机相关的封装模块，从而来构建无人机六自由度模型。

作为一种方式，在构建模型的过程中，可以在所述模型参数中选取与角动量相关的角动量参数，以便于基于角动量参数来计算无人机的角动量矩；通过所述角动量矩，构建所述无人机的机体角运动模型；基于所述角运动模型，生成无人机的六自由度模型。通过这种方式，能够基于角动量矩的方式来计算无人机的六自由度模型。

进一步的，在设置无人机六自由度模型的过程中，可以通过对预先获取的无人机驱动模块的参数值进行计算，得到所述驱动模块的输入向量，所述输入向量用以通过空间向量的方式来驱动所述无人机的运动；基于所述输入向量，生成所述六自由度模型中的驱动力控制模块，通过驱动力控制模块，能够进一步的模拟无人机在推动力驱动的情况下的力学特性，从而模型无人机飞行等操作。示例性的，该输入向量可以是无人机旋翼产生的推力。

下位机，下位机与上位机通信连接，在上位机完成模型构建之后，对重新构建的模型执行可编辑代码重构；

在matlab中快速完成六自由度模型之后，可以将matlab中生成的模型进行代码化转变，进而生成C++可编译代码，通过C++代码，能够使得用户进一步的对无人机模型进行进一步的开发。

仿真开发平台，用于基于所述可编辑代码，设计无人机飞行控制系统，所述无人机飞行控制系统能够在多操作系统平台上完成一体化无人机全过程飞行仿真和稳态飞行仿真。

具体的，可以进一步的在C++代码的基础上进行二次开发，从而根据实际的需要来生成无人机飞行控制系统，从而通过该无人机飞行控制系统来模拟无人机飞行的各种状态，进行无人机仿真操作。

在进行无人机仿真操作的过程中，可以将无人机仿真过程中产生的数据输入到无人机视景平台，通过无人机视景平台，能够通过直观、动态的方式展示无人机飞行的效果，从而使得无人机的仿真效果更加的具有可观性。

通过上述实施例中的内容，能够在快速构建无人机仿真模型的同时，极大的节省了无人机仿真的开发成本。

实施例2

数据采集模块上可以含有多个传感器，通过对无人机的进行信息采集，以获得无人机相关的模型参数。不同的无人机具有不同的型号，为此，需要将进行仿真的无人机进行受力分析。通过受力分析，可以获得无人机的受力特性，进而基于该受力特征提取无人机的参数。

具体的，参见图2，数据采集模块可以包括压力传感器和数据计算处理器，可以通过数据采集模型上设置的多个压力传感器通过传感器采集无人机不同位置上无人机的受力值；数据计算处理器对无人机的受力值进行力学分析，以便于基于力学分析的结果，确定无人机的重心。

在获得无人机的重心之后，数据计算处理器可以构建以无人机的重心为坐标原点的无人机的机体坐标系；基于所述机体坐标系，确定无人机动力驱动模块(例如，无人机旋翼)的坐标。

实施例3

所述上位机中安装有无人机模型，用于基于模型参数和在平台上的构建无人机六自由度模型，模拟无人机的力学特征。具体的，可以在上位机中预先安装matlab平台中包括的多个模块，从matlab的封装库中选择无人机相关的封装模块，从而来构建无人机六自由度模型。

参见图3，根据本公开实施例的一种具体实现方式，上位机中包括计算模块和控制模块，其中，计算模块用于在所述模型参数中选取与角动量相关的角动量参数，以便于基于角动量参数来计算无人机的角动量矩；通过所述角动量矩，构建所述无人机的机体角运动模型；基于所述角运动模型，生成无人机的六自由度模型。

控制模块用于：通过对预先获取的无人机驱动模块的参数值进行计算，得到所述驱动模块的输入向量，所述输入向量用以通过空间向量的方式来驱动所述无人机的运动；基于所述输入向量，生成所述六自由度模型中的驱动力控制模块。

实施例4

下位机与上位机通信连接，在上位机完成模型构建之后，对重新构建的模型执行可编辑代码重构。

参见图4，下位机中包括代码转换模块和编译模块，代码转换模块用于接收matlab中的模型，并将该模型转换为可以编辑的C++代码。当然也可以根据实际的需要将模型转换为其他语言类型(例如，C语言)的可编辑代码。

编译模块用于实时的对代码转换模块生成的可编辑语言进行编译操作，通过编译操作，能够生成在下位机平台上直接运行的可执行程序，这样一来可以通过该可执行程序直接观看模型的运行成果，同时，也可以将该可执行程序拷贝到其他的计算设备中直接进行运行，从而使得可执行程序能够脱离下位机而单独运行。

实施例5

参见图5，仿真开发平台可以包括C++代码开发模块和仿真展示模块，其中，C++代码开发模块中包含C++语言的开发环境，通过该开发环境，能够将上位机中构建的模型通过C++语言的方式进行二次开发，进而能够在模型之外开发其他的功能。

作为一种方式，可以通过C++代码开发模块开发无人机仿真控制功能，通过在无人机中输入相应的控制命令，能够对无人机的各种飞行操作进行模拟操作。

仿真展示模块，用于对无人机仿真数据进行实时展示，从而能够实时的展示仿真的效果。当然，仿真展示模块也可以加入数据交互功能，当用户在仿真展示模块中输入交互指令时，也可以根据用户的交互指令来控制无人机的仿真模拟操作。

应当理解，本公开的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。

以上所述，仅为本公开的具体实施方式，但本公开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公开揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本公开的保护范围之内。因此，本公开的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种无人机纯数字仿真系统，其特征在于，包括：

数据采集模块，所述数据采集模块上含有多个传感器，通过对无人机的进行信息采集，以获得无人机相关的模型参数；

上位机，所述上位机中安装有无人机模型，用于基于模型参数和在平台上的构建无人机六自由度模型，模拟无人机的力学特征；

下位机，下位机与上位机通信连接，在上位机完成模型构建之后，对重新构建的模型执行可编辑代码重构；

仿真开发平台，用于基于所述可编辑代码，设计无人机飞行控制系统，所述无人机飞行控制系统能够在多操作系统平台上完成一体化无人机全过程飞行仿真和稳态飞行仿真。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述仿真系统还包括：

存储器，所述存储器用于开发平台中无人机仿真数据进行存储，以便于基于存储的数据进行仿真回放。

3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述仿真系统还包括：

远程控制模块，所述远程控制模块用于通过远程控制的方式对开发平台执行远程控制。

4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述数据采集模块用于：

通过传感器采集无人机不同位置上无人机的受力值；

对无人机的受力值进行力学分析，以便于基于力学分析的结果，确定无人机的重心。

5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述数据采集模块还用于：

构建以无人机的重心为坐标原点的无人机的机体坐标系；

通过将无人机驱动模块在所述机体坐标系中坐标标定，确定无人机动力驱动模块的坐标。

6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，在上位机上构建无人机六自由度模型，包括：

在所述模型参数中选取与角动量相关的角动量参数，以便于基于角动量参数来计算无人机的角动量矩；

通过所述角动量矩，构建所述无人机的机体角运动模型；

基于所述角运动模型，生成无人机的六自由度模型。

7.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，在上位机上构建无人机六自由度模型，包括：

通过对预先获取的无人机驱动模块的参数值进行计算，得到所述驱动模块的输入向量，所述输入向量用以通过空间向量的方式来驱动所述无人机的运动；

基于所述输入向量，生成所述六自由度模型中的驱动力控制模块。

8.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述下位机还用于：

在模型编辑平台中对设计的模型执行代码转化，以便于将所述六自由度模型转换为可编辑的代码。

9.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述开发平台用于：

根据预先设计的软件功能，使用可编辑代码对无人机的交互功能进行设计和开发，在设计和开发之后，生成可执行的重构代码；

基于代码重构的结果，生成所述无人机飞行控制系统。

10.根据权利要求9所述的系统，其特征在于，所述开发平台还用于：

通过通信接口将无人机数据输出至无人机视景平台，所述无人机视景平台能够对无人机数据进行解析和视觉重构，以便于通过视觉重构的结果动态展示无人机飞行效果。

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