一种基于Unity3D的四旋翼无人机城市仿真方法与流程

文档序号：23185345发布日期：2020-12-04 14:14阅读：537来源：国知局

本发明涉及无人机仿真的技术领域，尤其涉及到一种基于unity3d的四旋翼无人机城市仿真方法。

背景技术：

随着微机电系统(mems)技术的不断成熟，无人机mems关系导航系统的重量大幅下降，同时微电子技术的蓬勃发展，无人机技术得到快速发展。各种消费级多旋翼无人机进入平常的生活中。各类企业级无人机活跃在航拍、巡检、农业、灾害、气象、测绘、矿产勘探、物流等各个领域。但是在复杂的城市环境中由于人流、车流的影响进行无人机作业存在风险和任务实施失败等问题，在城市无人机开发过程中构建一个接近真实的城市环境进行无人机仿真成为急需解决的问题。

针对四旋翼无人机的仿真现有方案是论文宋凯《基于unity3d的四旋翼无人机模拟训练系统设计与实现》中介绍的根据四旋翼无人机的推力和控制力矩产生原理、姿态和位置的动力学与运动规律，建立四旋翼无人机飞控规律，实现飞行控制和训练。但是该方案只是作为四旋翼无人机的飞行训练系统，其缺少环境的交互、传感器的开发，而且该方案的模型是固定的并不能根据需求更改，更重要的是该方案是单一的仿真只是针对四旋翼飞行训练仿真，没有考虑多无人机协作等方面。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种能全方位模拟、灵活在线修改和配置、实时交互的基于unity3d的四旋翼无人机城市仿真方法。

为实现上述目的，本发明所提供的技术方案为：

一种基于unity3d的四旋翼无人机城市仿真方法，包括以下步骤：

s1、基于maya软件构建四旋翼无人机模型、传感器、城市街道、建筑、环境以及人和动物模型；

s2、将maya软件的模型导入unity3d软件，利用unity3d软件进行实时渲染；

s3、利用unity3d中的物理引擎开发四旋翼无人机的动态模型；利用四旋翼无人机的动力学模型和电机特性开发四旋翼无人机的静态模型；利用激光和碰撞检测开发超声波传感器、红外线传感器、激光雷达传感器和相机传感器；

s4、结合建立的城市环境，获取传感器数据，根据给定的任务，实现四旋翼无人机在城市环境的飞行任务仿真。

进一步地，所述步骤s1中，四旋翼无人机模型的构建过程包括四部分：四分之一的机身采用圆柱基本体进行拉伸、剪切、移动顶点构建出扁球形；

机臂部分采用一个圆柱，分别选择圆柱的连接面与机身的连接面，利用桥接工具构建出机臂的机臂形状，之后利用挤压和移动工具实现机臂形状的调整；

电机部分采用一个圆柱来构建；

螺旋桨采用一个圆柱，利用多边切割工具在圆柱的侧面切割螺旋桨的基本形状，利用挤出工具实现螺旋桨的构建；

脚架采用两个矩形构建；

激光传感器采用两个半径不同的圆柱构建，相机采用矩形和圆柱构建；

人和动物模型采用曲面、矩形构建和圆柱构建。

进一步地，所述步骤s2具体包括：

s2-1、unity3d导入maya软件构建的模型；

s2-2、地形构建和风力的环境因子的设置；

s2-3、模型材质的添加、碰撞类型的添加和shadelab语言进行实时渲染环境。

进一步地，所述步骤s3中，利用unity3d中的物理引擎开发四旋翼无人机的动态模型的具体过程如下：

四旋翼无人机的动力学模型为：

拉力：fi＝kiω²i(i＝1，2，3，4)；

ki：第i个螺旋桨拉力系数，第i个螺旋桨的转速平方；

控制量：垂直升降控制量：u1＝f1+f2+f3+f4；

横滚控制量：u2＝2(f1-f3)；

俯仰控制量：u3＝2(f1-f4)；

偏航控制量：u4＝f1+f2-f3-f4；

旋转角：θ：横滚角roll；φ：俯仰角pitch；偏航角yaw；

d：旋翼中心到无人机坐标系x轴的垂直距离，k11：横滚角速度系数，ix：无人机x轴的转动惯量；

iy：无人机y轴的转动惯量，k22：俯仰角速度系数；

iz:无人机z轴的转动惯量，k33：偏航角速度系数；

运动模型：

m：无人机质量，kx：x轴方向的空气阻力系数，ky：y轴方向空气阻力系数，kz：z轴方向空气阻力系数，ɡ：重力加速度系数；

无人机的动态模型利用unity3d提供的物理引擎中的刚体模拟。

进一步地，所述步骤s4具体的实施过程包括以下六部分：

s4-1、接收飞行任务：

s4-2、获取激光射线与物体碰撞的坐标和相机拍摄的图像并保存；

s4-3、利用情况排序法对imu和各传感器的数据进行融合，根据城市仿真场景的天气状况，对多传感器收集的数据进行优先级排序如由于下雨的天气，摄像头容易受到雨水干扰，故将摄像头数据优先级降低，激光雷达的数据将拥有最高优先级。对所有优先级设置评分系数，根据当前排序状况，对收集的传感器数据进行可靠性评估及融合；；

s4-4、利用无人机的动力学模型和pid控制算法控制无人机位置和姿态，控制无人机到达指定任务点；

s4-5、飞行任务结束判断；

s4-6、无人机返航。

与现有技术相比，本方案原理及优点如下：

1)针对四旋翼无人机的模型仿真，本方案将四旋翼无人机模型分成两部分：动态模型和静态模型。利用物理引擎实现动态模型，利用动力学规律和电气特性实现静态模型。两个方面融合模拟将能够全方面真实的模拟四旋翼无人机的动力学特性和电气特性。

2)针对模型的可配置，本方案融合maya软件和unity3d软件，利用maya软件的模型构建和unity的模型在线导入，实现模型的灵活在线修改和配置，能够灵活配置城市仿真环境。

3)针对环境交互，本方案利用射线和碰撞检测模拟超声波传感器、红外线传感器、激光雷达传感器、相机传感器等无人机通用传感器，实现四旋翼无人机在城市环境的感知仿真并且实时交互。

4)针对现有仿真功能单一，本方案将各部分模型特性比如无人机静态模型模块化，传感器模型特性模块化并且提供配置的接口。利用各个模块可以实现四旋翼无人机在城市环境的各类型仿真。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的服务作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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为本发明一种基于unity3d的四旋翼无人机城市仿真方法的流程图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步说明：

如图1所示，本实施例所述的一种基于unity3d的四旋翼无人机城市仿真方法，包括以下步骤：

s1、基于maya软件构建四旋翼无人机模型、传感器、城市街道、建筑、环境以及人和动物模型，具体包括：

s11：四旋翼无人机、传感器物理模型构建；

s12：城市建筑如楼宇、路灯等和城市树木、花草、湖泊等模型的构建；

s13：城市人模型以及动物模型的构建；

更具体地，四旋翼无人机模型的构建过程包括四部分：四分之一的机身采用圆柱基本体进行拉伸、剪切、移动顶点构建出扁球形；

电机部分采用一个圆柱来构建；

螺旋桨采用一个圆柱，利用多边切割工具在圆柱的侧面切割螺旋桨的基本形状，利用挤出工具实现螺旋桨的构建；

脚架采用两个矩形构建；

激光传感器采用两个半径不同的圆柱构建，相机采用矩形和圆柱构建；

人和动物模型采用曲面、矩形构建和圆柱构建。

s2、将maya软件的模型导入unity3d软件，利用unity3d软件进行实时渲染；本步骤具体包括：

s2-1、unity3d导入maya软件构建的模型；

s2-2、地形构建和风力的环境因子的设置；

s2-3、模型材质的添加、碰撞类型的添加和shadelab语言进行实时渲染环境。

上述中，模型导入的具体是在maya软件中打开大纲视图，选择导出的对象，发送到unity，保存在unity工程中。

地形的构建具体是在unity3d软件中创建地面，在地面的说明界面设置地面的长、宽、高、表面贴质。地形的起伏可通过高度刷子进行设置，地面的草或路面可通过贴图实现。

环境的实时渲染是通过编写shadelab程序，包括：shade着色根命令、properties属性命令、subshader命令、subshadertags命令、pass命令、fallback命令、category命令。

其中，利用unity3d中的物理引擎开发四旋翼无人机的动态模型的具体过程如下：