CN115542776B - 无人机飞管系统仿真模型校准方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种无人机飞管系统仿真模型校准方法，属于新型无人机调试技术领域。本发明根据无人机不同飞行状态下的试验飞行数据与预设的飞管系统仿真模型的仿真数据进行对比，使飞管系统仿真模型不断地接近真实飞机，当飞管系统仿真模型越接近真实飞机时，可以在地面模拟开展相关飞行试验，从而提高无人机地面飞行试验的效率，保障无人机飞行安全。本发明采用独特的设计思路，用于进行无人机的飞管系统仿真校准，使无人机最大程度上达到理论设计状态以及拥有最佳的飞行控制性能；同时设计独特的公式算法，实现仿真模型校准的计算，并通过设定允许范围值，使系统自动判定在允许公差范围内仿真是否符合要求，设计具有独特性和创新性。
Description
技术领域
本发明属于新型无人机调试技术领域，涉及一种无人机飞管系统仿真模型校准方法，用于进行无人机的飞管系统仿真校准，使无人机最大程度上达到理论设计状态以及拥有最佳的飞行控制性能。
背景技术
在无人机飞行控制系统研制过程中，往往经过全数字仿真实验对整个飞行包线、全模态的物理特性进行客观评价，突出各个设计状态的控制律结构及参数确认，即仿真模型越接近真实飞机，对控制律参数的设计越有好处。在设计阶段，理论上仿真模型与真实飞机完全贴合，但在无人机的整个生产制造过程中，全机各个零部件制造均存在制造误差，各部件装配存在装配误差，成品、元器件存在性能指标公差，上述设计允许的情况会导致无人机的实际模型与理论不符，且目前没有可以对无人机飞管系统仿真模型进行精准校准的系统，导致无人机地面调试过程中模拟飞行试验时，无法准确地反映真实飞行情况。
因此，如何校准无人机飞管系统仿真模型，进而在无人机地面模拟飞行试验中，准确地反映真实飞行情况，从而提高无人机地面飞行试验的效率，保障无人机飞行安全是本领域技术人员亟待解决的技术问题，为此开展一种无人机飞管系统仿真模型校准方法的研究工作，在建立仿真模型校准方法后设定计算公式，用于系统判定。
发明内容
为在无人机地面模拟飞行试验中，校准无人机的飞管系统仿真模型，从而准确地反映真实飞行情况，提高无人机地面飞行试验的效率，保障无人机飞行安全，本发明提供了一种无人机飞管系统仿真模型校准方法。
本发明的技术方案如下：
一种无人机飞管系统仿真模型校准方法，包括以下步骤：
S1：对无人机飞管系统输入控制指令，在地面进行飞行试验模拟，识别无人机飞行状态变换过程中的飞行状态。
S2：利用三维成像扫描技术，获取无人机在每个飞行状态下的试验飞行数据，在预设的飞管系统仿真模型确定每个飞行状态对应的目标子模型，调取所述目标子模型的仿真数据。
S3：根据试验飞行数据和仿真数据，调整所述目标子模型的仿真参数。
S4：根据调整后的目标子模型，得到校准飞管系统仿真模型。
S5：进行飞管系统仿真模型对比分析；具体过程如下：
1)设定无人机理论模型为
Sα＝{(x,y,z)}
其中，x为横向坐标；y为纵向坐标；z＝h(x,y)，表示高度。
2)设定成像扫描的实际模型为
S′α＝{(x′,y′,z′)}
其中，x′为横向坐标；y′为纵向坐标；z′＝h(x′,y′)，表示高度。
3)任一检测点在空间用六自由度向量表示为
S(t)＝[Sx(t)Sy(t)Sz(t)Sγ(t）Sβ（t）Sθ(t)]
其中，Sx(t)、Sy(t)、Sz(t)为t时刻检测点的位置坐标；Sγ(t)、Sβ(t)、Sθ(t)为t时刻相对于空间坐标轴的倾角。
4)运动轨迹为在时间[0,t]内的积分，设每秒速率函数为fsa[S(t),x,y,z]，则无人机理论模型的运动轨迹为
5)同理，成像扫描的实际模型运动轨迹为
6)实际运动轨迹与理论运动轨迹的不重合度fV为二者模型差值，故
7)根据不同的运动部件，设定不同的允许范围，飞管系统自动判定在允许公差范围内仿真是否符合要求；以某部件为例，应保证fV满足(-10,10)的范围。
通过采用上述技术方案，根据无人机不同飞行状态下的试验飞行数据与预设的飞管系统仿真模型的仿真数据进行对比，使飞管系统仿真模型不断地接近真实飞机，当飞管系统仿真模型越接近真实飞机时，可以在地面模拟开展相关飞行试验，从而提高无人机地面飞行试验的效率，保障无人机飞行安全。
本发明的有益效果：
(1)本发明采用独特的设计思路，用于进行无人机的飞管系统仿真校准，使无人机最大程度上达到理论设计状态以及拥有最佳的飞行控制性能。
(2)本发明根据不同飞行状态下的试验飞行数据与预设的飞管系统仿真模型的仿真数据进行对比，使飞管系统仿真模型不断地接近真实飞机，当飞管系统仿真模型越接近真实飞机时，可以在地面模拟开展相关飞行试验，从而提高无人机地面飞行试验的效率，保障无人机飞行安全。
(3)由于无人机在飞行试验中，不同飞行状态下的试验飞行数据不同，因此本发明结合飞管系统仿真模型对应各个飞行状态下的目标子模型的仿真数据，调整各个飞行状态对应的目标子模型的仿真参数，且不同飞行状态的调整规则都不相同，使得校准更具有针对性，从而提高后续开展地面模拟飞行试验的设计效率。
(4)本发明设计独特的公式算法，可实现仿真模型校准的计算，并通过设定允许范围值，使系统自动判定在允许公差范围内仿真是否符合要求，设计具有独特性和创新性。
附图说明
图1为本发明的流程示意图。
图2为调整目标子模型的仿真参数的流程示意图。
图3为按照飞行状态先后顺序调整目标子模型仿真参数的示意图。
图4为调整地面滑行状态对应的目标子模型的仿真参数示意图。
图5为调整起飞状态对应的目标子模型的仿真参数示意图。
图6为调整升降稳定飞行状态对应的目标子模型的仿真参数示意图。
图7为调整着陆状态对应的目标子模型的仿真参数示意图。
具体实施方式
以下结合实施例和附图进一步解释本发明的具体实施方式，但不用于限定本发明。
参照图1，一种无人机飞管系统仿真模型校准方法，包括以下步骤：
S1、对无人机展开地面模拟飞行试验，识别无人机飞行状态变换过程中的飞行状态。其中，在无人机飞行控制系统研制过程中，往往需要经过全数字仿真实验对整个飞行包线、全模态的物理特性进行客观评价，突出各个设计状态的控制律结构及参数确认。为此，当无人机开始进行模拟飞行试验调试时，无人机会有不同的飞行状态，因此，需要识别无人机的飞行状态变换过程，从而针对不同飞行状态校准飞管系统仿真模型。
S2、获取无人机在每个飞行状态下的试验飞行数据，在预设的飞管系统仿真模型中确定每个飞行状态对应的目标子模型，调取目标子模型的仿真数据。
其中，由于无人机处于飞行状态变换的过程，因此，需要获取不同飞行状态下的试验飞行数据，并调取预设的飞管系统仿真模型来确定每个飞行状态对应的目标子模型的仿真数据，方便后续进行飞管系统仿真模型的校准。
S3、根据试验飞行数据和仿真数据，调整目标子模型的仿真参数。其中，根据不同飞行状态下的试验飞行数据和调用的对应目标子模型的仿真数据，对每个飞行状态下的目标子模型的仿真参数进行调整，且不同飞行状态仿真参数调整的规则都不同，可以针对性的实现调整。
S4、根据调整后的目标子模型，得到校准飞管系统仿真模型。其中，在无人机经历飞行状态变换过程中，根据调整后的目标子模型，可以得到校准飞管系统仿真模型。
S5：将校准后的飞管系统仿真模型与理论模型对比，进行飞管系统仿真模型对比分析。
在以上图1所示的实施例中，无人机飞行状态变换过程中的飞行状态包括地面滑行状态、起飞状态、升降稳定飞行状态以及着陆状态。下面通过图2所示的实施例对步骤S3进行详细说明，具体包括：
S3.1、确定无人机飞行状态变换过程中的飞行状态先后顺序，飞行状态先后顺序为地面滑行状态、起飞状态、升降稳定飞行状态以及着陆状态；其中，模拟无人机从地面开始进行飞行试验，经历了飞行状态变换过程，飞行状态的先是从地面滑行状态、起飞状态、升降稳定飞行状态到着陆状态的，这个连续状态的变换，体现了无人机在校准飞管系统仿真模型的逻辑性。
S3.2、按照飞行状态先后顺序，并结合试验飞行数据及仿真数据，调整每一个飞行状态对应的目标子模型的仿真参数。其中，按照飞行状态的先后顺序调整对应目标子模型的仿真参数，可以实现不同飞行状态对应的目标子模型的仿真参数，说明了无人机在校准飞管系统仿真模型的多样性。
在以上图2所示的实施例中，对步骤S3.2进行详细说明，如图3所示，具体包括：
S3.2.1、根据地面滑行状态的试验飞行数据，及地面滑行状态对应的目标子模型的仿真数据，调整地面滑行状态对应的目标子模型的仿真参数；
S3.2.2、根据起飞状态的试验飞行数据，及起飞状态对应的目标子模型的仿真数据，调整起飞状态对应的目标子模型的仿真参数；
S3.2.3、根据升降稳定飞行状态的试验飞行数据，及升降稳定飞行状态对应的目标子模型的仿真数据，调整升降稳定飞行状态对应的目标子模型的仿真参数；
S3.2.4、根据着陆状态的试验飞行数据，及着陆状态对应的目标子模型的仿真数据，调整着陆状态对应的目标子模型的仿真参数。
在以上图3所示的实施例中，地面滑行状态对应的目标子模型为起落系统子模型，对步骤S3.2.1进行详细说明，如图4所示，具体包括：
S401、根据起落架的实际动作与位置状态，与起落系统子模型的仿真数据比较，得到无人机的地面校准偏差；
S402、根据地面校准偏差，调整起落系统子模型的仿真参数。
在以上图3所示的实施例中，起飞状态对应的目标子模型为内侧升降副翼子模型，试验飞行数据包括内侧升降副翼舵机反馈值以及实际偏转角度，对步骤S3.2.2进行详细说明，如图5所示，具体包括：
S501、根据无人机的内侧升降副翼舵机反馈值以及实际偏转角度，与内侧升降副翼子模型的仿真数据比较，得到无人机的横向校准偏差；
S502、根据横向校准偏差，调整内侧升降副翼子模型的仿真参数。
在以上图3所示的实施例中，升降稳定飞行状态对应的目标子模型为外侧阻力方向舵子模型，试验飞行数据包括外侧阻力方向舵机反馈值以及实际偏转角度，对步骤S3.2.3进行详细说明，如图6所示，具体包括：
S601、根据外侧阻力方向舵机反馈值以及实际偏转角度，与外侧阻力方向舵子模型的仿真数据比较，得到无人机的纵向及航向校准偏差；
S602、根据纵向及航向校准偏差，调整外侧阻力方向舵子模型的仿真参数。
在以上图3所示的实施例中，着陆状态对应的目标子模型为拦阻系统子模型，试验飞行数据包括拦阻系统位置信号以及实际放下角度，对步骤S3.2.4进行详细说明，如图7所示，具体包括：
S701、根据拦阻系统位置信号以及实际放下角度，与拦阻系统子模型的仿真数据比较，得到无人机的着陆校准偏差；
S702、根据着陆校准偏差，调整拦阻系统子模型的仿真参数。
Claims (1)
1.一种无人机飞管系统仿真模型校准方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
S1：对无人机飞管系统输入控制指令，在地面进行飞行试验模拟，识别无人机飞行状态变换过程中的飞行状态；
S2：利用三维成像扫描技术，获取无人机在每个飞行状态下的试验飞行数据，在预设的飞管系统仿真模型确定每个飞行状态对应的目标子模型，调取所述目标子模型的仿真数据；
S3：根据试验飞行数据和仿真数据，调整所述目标子模型的仿真参数；
S3.1：确定无人机飞行状态变换过程中的飞行状态先后顺序，飞行状态先后顺序为地面滑行状态、起飞状态、升降稳定飞行状态以及着陆状态；
S3.2：按照飞行状态先后顺序，并结合试验飞行数据及仿真数据，调整每一个飞行状态对应的目标子模型的仿真参数；
S3.2.1：根据地面滑行状态的试验飞行数据，及地面滑行状态对应的目标子模型的仿真数据，调整地面滑行状态对应的目标子模型的仿真参数；
所述步骤S3.2.1的具体过程如下：
S401：根据起落架的实际动作与位置状态，与起落系统子模型的仿真数据比较，得到无人机的地面校准偏差；
S402：根据地面校准偏差，调整起落系统子模型的仿真参数；
S3.2.2：根据起飞状态的试验飞行数据，及起飞状态对应的目标子模型的仿真数据，调整起飞状态对应的目标子模型的仿真参数；
所述步骤S3.2.2的具体过程如下：
S501：根据无人机的内侧升降副翼舵机反馈值以及实际偏转角度，与内侧升降副翼子模型的仿真数据比较，得到无人机的横向校准偏差；
S502：根据横向校准偏差，调整内侧升降副翼子模型的仿真参数；
S3.2.3：根据升降稳定飞行状态的试验飞行数据，及升降稳定飞行状态对应的目标子模型的仿真数据，调整升降稳定飞行状态对应的目标子模型的仿真参数；
所述步骤S3.2.3的具体过程如下：
S601：根据外侧阻力方向舵机反馈值以及实际偏转角度，与外侧阻力方向舵子模型的仿真数据比较，得到无人机的纵向及航向校准偏差；
S602：根据纵向及航向校准偏差，调整外侧阻力方向舵子模型的仿真参数；
S3.2.4：根据着陆状态的试验飞行数据，及着陆状态对应的目标子模型的仿真数据，调整着陆状态对应的目标子模型的仿真参数；
所述步骤S3.2.4的具体过程如下：
S701：根据拦阻系统位置信号以及实际放下角度，与拦阻系统子模型的仿真数据比较，得到无人机的着陆校准偏差；
S702：根据着陆校准偏差，调整拦阻系统子模型的仿真参数
S4：根据调整后的目标子模型，得到校准飞管系统仿真模型；
S5：将校准后的飞管系统仿真模型与理论模型对比，进行飞管系统仿真模型对比分析；
1)设定无人机理论模型为
Sα＝{(x,y,z)}
其中，x为横向坐标；y为纵向坐标；z＝h(x,y)，表示高度；
2)设定成像扫描的实际模型为
S′ α＝{(x′,y′,z′)}
其中，x′为横向坐标；y′为纵向坐标；z′＝h(x′,y′)，表示高度；
3)任一检测点在空间用六自由度向量表示为
S(t)＝[Sx(t)Sy(t)Sz(t)Sγ(t)Sβ(t)Sθ(t)]
其中，Sx(t)、Sy(t)、Sz(t)为t时刻检测点的位置坐标；Sγ(t)、Sβ(t)、Sθ(t)为t时刻相对于空间坐标轴的倾角；
4)运动轨迹为在时间[0,t]内的积分，设每秒速率函数为fsa[S(t),x,y,z]，则无人机理论模型的运动轨迹为
5)同理，成像扫描的实际模型运动轨迹为
6)实际运动轨迹与理论运动轨迹的不重合度fV为二者模型差值，故
7)根据不同的运动部件，设定不同的允许范围，飞管系统自动判定在允许公差范围内仿真是否符合要求，若计算出的不重合度fV不满足给定范围，则系统报此部件运动异常。
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