一种无人机半实物仿真系统与仿真方法与流程

本发明涉及飞行控制器半实物仿真技术领域，特别是涉及一种共轴异构多旋翼无人机半实物仿真系统与方法。

背景技术：

续航较短是目前多旋翼无人机的通病，一种提升续航的方法是采用类似直升机主旋翼结构的共轴异构升力旋翼，与姿态调整多旋翼组合方式。共轴异构多旋翼构型区别于目前的主流无人机构型，目前没有成熟的数学模型，相应的飞行控制器设计缺少参考，需要利用半实物仿真系统对此新构型进行地面仿真测试。

飞行控制器的设计是所有无人机系统的核心系统之一，现代的飞行控制器系统采用的姿态控制、导航、飞行管理系统极其复杂。仿真实时性和仿真精度是影响半实物仿真系统仿真结果可信度的主要因素，其中实时性是飞行仿真的基本要求，同时也是仿真精度的影响要素之一；仿真精度主要取决于模型建立的准确度，它会直接影响控制器的参数设计，从而影响实际飞行效果，共轴异构的多旋翼流体力学模型的建立与模型求解还是行业难点之一。

技术实现要素：

本发明提出一种无人机半实物仿真系统与仿真方法，能够改进共轴异构新构型多旋翼无人机地面仿真气动模型不精确问题，为飞行控制器地面仿真验证，动态条件下的仿真，参数调整提供一套解决方案。

为了达到上述目的，本发明提供一种无人机半实物仿真系统，包括主控计算机、仿真计算机、仿真台架、飞行控制器，

所述的主控计算机用于建立无人机数学模型、输入或修改无人机数学模型参数和仿真参数，并显示无人机数学模型的飞行动画；

所述的仿真计算机，其与主控计算机、仿真台架和飞行控制器连接，所述的仿真计算机用于下载无人机数学模型，实时接收模型参数、仿真参数，并解算无人机数学模型的动力学和运动学；

所述的仿真台架，其与仿真计算机连接，所述的仿真转台通过电机调整无人机物理模型的姿态角，并将采集的仿真数据发送给仿真计算机；

所述的仿真计算机对接收到的仿真数据解算，并将解算后的融合仿真数据发送给主控计算机和飞行控制器；

所述的飞行控制器与仿真台架连接，其用于控制仿真台架中电机的转速，实现无人机物理模型姿态的稳定控制。

进一步，所述的主控计算机包括显示界面ui、数据存储模块、参数调整模块与模型建立模块，所述的显示界面ui，其用于根据无人机数学模型的融合仿真数据实时显示无人机数学模型的飞行动画；所述的数据存储模块，其用于记录仿真过程的数据；所述的参数调整模块，其用于输入或修改无人机数学模型参数以及仿真参数并发送给仿真计算机；所述的模型建立模块，其用于建立无人机数学模型。

进一步，所述的仿真计算机包含仿真模型、物理仿真引擎、转台驱动模块、数据转换模块，所述的仿真模型，其用于从主控计算机下载无人机数学模型，并实时接收主控计算机发送的无人机数学模型参数和仿真参数；所述的物理仿真引擎，其建立了多物理场模型，用于解算无人机数学模型的动力学和运动学；所述的转台驱动模块，其与仿真台架连接，用于将当前仿真参数的姿态信息发送给仿真台架；所述的数据转换模块，其与用于将无人机数学模型的融合仿真数据打包发送给飞行控制器。

进一步，所述的仿真台架包含三轴仿真转台、数据测量模块、无人机物理模型，所述的无人机物理模型，其安装有电机，用于根据所需仿真的无人机旋翼的结构设置电机的安装位置；所述的数据测量模块和无人机物理模型固定安装在三轴仿真转台上，所述的三轴仿真转台，其用于驱动电机调整无人机物理模型的姿态角，模拟无人机飞行过程中的姿态变化；所述的数据测量模块用于采集无人机的仿真数据，并发送给仿真计算机。

进一步，所述的飞行控制器包括飞控硬件和惯导传感器，所述的惯导传感器，其用于测量三轴仿真转台的姿态角；所述的飞控硬件，其内置有飞控算法，用于接收融合仿真数据以及三轴仿真转台的姿态角，并根据融合仿真数据、三轴仿真转台的姿态角输出无人机物理模型上电机的脉冲宽度调制信号，控制电机的转速，实现无人机物理模型姿态的稳定控制。

本发明还提供了一种无人机半实物仿真方法，包括以下步骤：

主控计算机建立无人机数学模型，编译后下载无人机数学模型到仿真计算机；

在主控计算机上输入无人机数学模型的模型参数以及仿真参数，并发送给仿真计算机；

仿真计算机解算无人机数学模型，得到无人机数学模型的解算数据，并发送给仿真台架；

仿真台架接收到模型解算数据后改变无人机物理模型的姿态角，并将数据测量模块测得的仿真数据发送给仿真计算机；

仿真计算机根据仿真参数的状态解算仿真数据，并将解算后的融合仿真数据发送给飞行控制器和主控计算机；

飞行控制器依据融合仿真数据运行待测试的飞控算法，控制无人机物理模型各电机的转速。

主控计算机根据融合仿真数据渲染绘制仿真画面，并保存融合仿真数据。

优选地，所述的仿真参数的状态分为稳态仿真和动态仿真。

优选地，仿真参数的状态为稳态仿真时，数据测量模块测得的仿真数据不经过处理，直接通过仿真计算机进行动力学和运动学解算，并融合高度、速度信息，将融合仿真数据发送给飞行控制器和主控制器。

优选地，仿真参数的状态为动态仿真时，所述物理仿真引擎根据物理场流体模型修正动态条件下无人机物理模型的电机桨效，与气流相对运动带来的修正力矩后再进行仿真数据的动力学和运动学解算，修正后的姿态融合仿真数据发送给飞行控制器和主控计算机。

本发明利用仿真台架及仿真计算机对无人机进行半实物仿真模拟，避免了流体仿真模型对仿真计算机的计算资源占用与计算精度不够问题，提高了仿真实时性与仿真精度。同时，本发明引入物理仿真引擎的多物理场模型，对静态情况下仿真测量数据进行修正，模拟动态条件下仿真条件，为飞行控制器设计与参数调整提供完备的仿真数据。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种无人机半实物仿真系统的结构图；

图2为本发明实施例提供的一种无人机半实物仿真方法的流程图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明提出的一种无人机半实物仿真系统与仿真方法作进一步详细说明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比率，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。

本发明提供一种无人机半实物仿真系统，包括主控计算机1、仿真计算机2、仿真台架3、飞行控制器4。

所述的主控计算机1作为仿真系统和仿真人员交互的通道，提供了较为丰富的接口与功能，本实施例中采用windows系统。主控计算机包括：显示界面ui、数据存储模块、参数调整模块与模型建立模块，所述的显示界面ui使用的工具不限于qt、labwindows/cvi等，用于根据无人机数学模型的融合仿真数据实时显示无人机数学模型的飞行动画；所述的数据存储模块提供了仿真数据的实时保存功能，其用于记录仿真过程的数据；所述的参数调整模块提供了用户输入界面，输入参数包括显示界面ui调整参数、数据存储功能参数、模型仿真参数，其用于输入或修改无人机数学模型参数以及仿真参数并发送给仿真计算机2；所述的模型建立模块，利用matlab/simulink搭建无人机数学模型，使用rtw(real-timeworkshop)实时工作间对matlab/simulink建立的无人机数学模型生成优化、个性化可移植的代码，并根据不同的实时目标配置自动生成相应平台的实时目标代码，与实时目标进行无缝集成，对运行状态进行监控。

所述的仿真计算机2承担着无人机数学模型的运行解算工作，采用实时操作系统，包括但不限于vxworks嵌入式实时系统以及windows+rtx软件实时拓展方案。所述的仿真计算机2包含仿真模型、物理仿真引擎、转台驱动模块、数据转换模块，所述的仿真模型，其用于从主控计算机1下载无人机数学模型，并实时接收主控计算机1发送的无人机数学模型参数和仿真参数；所述的物理仿真引擎，其建立了多物理场模型，用于解算无人机数学模型的动力学和运动学；所述的转台驱动模块，其与仿真台架3连接，用于将当前仿真参数的姿态信息发送给仿真台架3；所述的数据转换模块，其与用于将无人机数学模型的融合仿真数据打包发送给飞行控制器4。

所述的仿真台架3包含三轴仿真转台、数据测量模块、无人机物理模型，所述的无人机物理模型，其安装有电机，用于根据所需仿真的无人机旋翼的结构设置电机的安装位置；所述的数据测量模块和无人机物理模型固定安装在三轴仿真转台上，所述的三轴仿真转台，其用于驱动电机调整无人机物理模型的姿态角，模拟无人机飞行过程中的姿态变化；所述的数据测量模块用于采集无人机的仿真数据，并发送给仿真计算机2。

所述的飞行控制器4包括飞控硬件和惯导传感器，所述的惯导传感器用于测量三轴仿真转台的姿态角；所述的飞控硬件，其内置有飞控算法，用于接收融合仿真数据以及三轴仿真转台的姿态角，并根据融合仿真数据、三轴仿真转台的姿态角输出无人机物理模型上电机的脉冲宽度调制信号，控制电机的转速，实现无人机物理模型姿态的稳定控制。

如图2所示为本发明提供一种无人机半实物仿真方法，包括以下步骤：

s1、主控计算机建立无人机数学模型，编译后下载无人机数学模型到仿真计算机；

根据待仿真的无人机的机架参数调节无人机物理模型，并初始化仿真计算机的转台驱动模块、仿真台架的数据测量模块以及飞行控制器。主控计算机利用matlab/simulink软件对共轴异构多旋翼无人机进行动力学和运动学建模，利用rtw(real-timeworkshop)实时工作间进行仿真计算机平台的代码优化与生成，配置与仿真计算机ip地址后，编译代码并将共轴异构多旋翼无人机数学模型下载到仿真计算机。

s2、在主控计算机上输入无人机数学模型的模型参数以及仿真参数，并发送给仿真计算机；

在主控计算机上新建仿真工程，仿真人员通过该仿真工程输入共轴异构多旋翼无人机数学模型的模型参数以及仿真参数，所述的模型参数以及仿真参数是为了进行共轴异构多旋翼无人机在不同飞行参数和飞行环境下的仿真，考察共轴异构多旋翼无人机在不同条件下的飞行情况，仿真人员也可通过该仿真工程实时修改模型参数和仿真参数，同时，仿真参数分为稳态仿真参数和动态仿真参数；主控计算机将所输入的模型参数以及仿真参数发送给仿真计算机。

s3、仿真计算机解算无人机数学模型，得到无人机数学模型的解算数据，并发送给仿真台架；

仿真计算机通过物理仿真引擎对接收到的共轴异构多旋翼无人机数学模型及其参数进行动力学和运动解算，得到共轴异构多旋翼无人机的偏航、俯仰与滚转角度与角速率，仿真计算机通过转台驱动模块将得到的模型解算数据发送给仿真台架的三维仿真转台。

s4、仿真台架接收到模型解算数据后改变无人机物理模型的姿态角，并将数据测量模块测得的仿真数据发送给仿真计算机；

仿真台架的转台驱动模块接收到仿真计算机发送的模型解算数据后，驱动三轴仿真转台的电机调整共轴异构多旋翼无人机物理模型的姿态角，以此模拟共轴异构多旋翼无人机的姿态角变化；数据测量模块包括不限于nicdaq机箱与a/d，d/a，计时器数据采集板卡，实时采集共轴异构多旋翼无人机物理模型各电机的电压电流、力与力矩、转台角度与角速率、惯导传感器数据；数据测量模块测得的仿真数据再通过反射内存网传送给仿真计算机。

s5、仿真计算机根据仿真参数的状态解算仿真数据，并将解算后的融合仿真数据发送给飞行控制器和主控计算机；

仿真计算机根据当前的仿真参数状态，对仿真数据进行不同操作；

当前仿真工程中输入的仿真参数为稳态仿真时，所述物理仿真引擎根据物理场流体模型修正动态条件下共轴异构多旋翼无人机物理模型各电机桨效，与气流相对运动带来的修正力矩后再进行仿真数据的动力学和运动学解算，修正后的姿态融合仿真数据发送给飞行控制器和主控计算机，并将修正后的姿态角与角速率值发送给三轴仿真转台；

当前的仿真参数状态为稳态仿真时，数据测量模块测得的仿真数据不经过处理，直接通过仿真计算机进行动力学和运动学解算，并融合高度、速度信息后发送给飞行控制器和主控制器。

s6、飞行控制器依据融合仿真数据运行待测试的飞控算法，控制无人机物理模型各电机的转速；

飞行控制器接收到仿真计算机发送的融合仿真数据，以及刚性固定在转台上的自身惯导传感器的姿态数据后，根据内置仿真飞行任务运行位置、融合仿真数据、三轴仿真转台的姿态角以及无人机飞控算法输出共轴异构多旋翼无人机物理模型各电机的脉冲宽度调制(pulsewidthmodulation，pwm)信号，控制共轴异构多旋翼无人机物理模型各电机的转速，实现共轴异构多旋翼无人机物理模型姿态的稳定控制。

s7、主控计算机根据融合仿真数据渲染绘制仿真画面，并保存融合仿真数据。

主控计算机接收到仿真计算机发送的融合仿真数据后，在显示界面ui上渲染绘制仿真画面，并将融合仿真数据保存在数据存储模块。仿真过程中，用户可通过主控计算机的参数调整模块实时调整共轴异构多旋翼无人机数学模型的模型参数与仿真参数；并可通过飞行控制器改变无人机物理模型的飞行姿态。

本发明利用仿真台架及仿真计算机对共轴异构多旋翼无人机进行半实物仿真模拟，避免了流体仿真模型对仿真计算机的计算资源占用与计算精度不够问题，提高了仿真实时性与仿真精度。同时，本发明引入物理仿真引擎的多物理场模型，对静态情况下仿真测量数据进行修正，模拟动态条件下仿真条件，为飞行控制器设计与参数调整提供完备的仿真数据。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。