本发明涉及无人机测试，尤其涉及一种基于半实物仿真的无人机自动化测试方法及系统。
背景技术：
：：1、在无人机安全测试的研究上，目前基于真机实验的方法进行容错算法验证以及其他安全攸关的测试是低效的、高成本的，且难以自动化的实现，无法做到全面的、形式化的评估。因此，急需一种无人机测试方案，以实现低成本、高效率的无人机自动化测试。技术实现思路1、本发明的目的在于提供一种基于半实物仿真的无人机自动化测试系统及方法，以实现低成本、高效率的无人机自动化测试。2、第一方面，提供了一种基于半实物仿真的无人机自动化测试系统，包括半实物仿真平台和测试模块；3、所述半实物仿真平台包括飞控模块、无人机运动仿真器、三维环境仿真器及地面控制站；所述飞控模块与所述无人机运动仿真器、三维环境仿真器通信连接，所述三维环境仿真器、地面控制站均与所述无人机运动仿真器通信连接；所述无人机运动仿真器包含整机故障模型，其中，整机故障模型是在无人机运动模型的基础上结合故障原理，设计故障参数形成；4、测试模块，与所述飞控模块、无人机运动仿真器、三维环境仿真器通信连接，用于基于故障测试用例库注入故障以进行故障测试及接收故障测试结果。5、进一步地，所述整机故障模型包括动力系统故障模型、负载故障模型、传感器故障模型。所述动力系统故障模型为通过在动力系统的各模块的模型中叠加扰动故障系数而形成；所述负载故障模型为在通过在转动惯量模型中叠加由于机体上发生的质量变化产生的转动惯量的变化而形成；所述传感器故障模型为通过在各传感器模型中叠加零偏漂移量、尺度因子的变化、常值偏置的变化和白噪声而形成。6、进一步地，所述动力系统故障模型包括：7、电池故障模型，其表示如下：8、9、式中，表示电池电压，表示有效放电电容，表示电池充满电的电压，为电池的拟合函数，<mstyledisplaystyle="true"mathcolor="#000000"><msub><mi>k</mi><msub><mi>u</mi><mi>b</mi></msub></msub><mi>∈</mi><mi>[</mi><mn>0</mn><mi>,</mi><mn>1</mn><mi>]</mi></mstyle>表示电池故障系数；10、电调故障模型，其表示如下：11、12、式中，表示电调的等效平均电压，表示电调接收的油门输入，表示电池电压，<mstyledisplaystyle="true"mathcolor="#000000"><msub><mi>k</mi><msub><mi>u</mi><mi>m</mi></msub></msub><mi>∈</mi><mi>[</mi><mn>0</mn><mi>,</mi><mn>1</mn><mi>]</mi></mstyle>表示电调故障系数；13、电机故障模型，其表示如下：14、15、式中，表示电机实际瞬时转速，<mstyledisplaystyle="true"mathcolor="#000000"><msub><mi>k</mi><msub><mi>t</mi><mi>m</mi></msub></msub><mi>∈</mi><mi>[</mi><mn>0</mn><mi>,</mi><msub><mi>k</mi><mrow><msub><mi>t</mi><mi>m</mi></msub><mi>,max</mi></mrow></msub><mi>]</mi></mstyle>为电机响应速度故障系数，表示最大故障响应系数，表示电机的动态响应速度，s表示复频率，<mstyledisplaystyle="true"mathcolor="#000000"><msub><mi>k</mi><mi>ω</mi></msub><mi>∈</mi><mi>[</mi><mn>0</mn><mi>,</mi><mn>1</mn><mi>]</mi></mstyle>表示电机执行效率故障系数，是期望的稳态转速；16、螺旋桨故障模型，其表示如下：17、18、式中，t表示螺旋桨的拉力，m表示螺旋桨的转矩；表示拉力系数，是转矩与拉力的比例系数，<mstyledisplaystyle="true"mathcolor="#000000"><msub><mi>k</mi><msub><mi>c</mi><mi>t</mi></msub></msub><mi>∈</mi><mi>[</mi><mn>0</mn><mi>,</mi><mn>1</mn><mi>]</mi></mstyle>表示拉力故障系数。19、进一步地，所述负载故障模型表示如下：20、21、<mstyledisplaystyle="true"mathcolor="#000000"><msub><mi>j</mi><mi>body</mi></msub><mi>=</mi><mrow><mo>[</mo><mtable><mtr><mtd><msub><mi>j</mi><msub><mi>xx</mi><mi>var</mi></msub></msub></mtd><mtd><mi>−</mi><msub><mi>j</mi><msub><mi>xy</mi><mi>var</mi></msub></msub></mtd><mtd><mi>−</mi><msub><mi>j</mi><msub><mi>xz</mi><mi>var</mi></msub></msub></mtd></mtr><mtr><mtd><mi>−</mi><msub><mi>j</mi><msub><mi>xy</mi><mi>var</mi></msub></msub></mtd><mtd><msub><mi>j</mi><msub><mi>yy</mi><mi>var</mi></msub></msub></mtd><mtd><mi>−</mi><msub><mi>j</mi><msub><mi>yz</mi><mi>var</mi></msub></msub></mtd></mtr><mtr><mtd><mi>−</mi><msub><mi>j</mi><msub><mi>xz</mi><mi>var</mi></msub></msub></mtd><mtd><mi>−</mi><msub><mi>j</mi><msub><mi>yz</mi><mi>var</mi></msub></msub></mtd><mtd><msub><mi>j</mi><msub><mi>zz</mi><mi>var</mi></msub></msub></mtd></mtr></mtable><mo>]</mo></mrow></mstyle>22、式中，j表示总的转动惯量，表示正常的转动变量，表示变化的转动惯量，其中，表示绕物体质心的f轴旋转时，物体对于h轴的转动惯量，f和h均取x、y、z；如表示绕物体质心的轴旋转时，物体对于该旋转轴的转动惯量；表示绕物体质心的轴旋转时，物体对于垂直于该旋转轴的轴的转动惯量；表示绕物体质心的轴旋转时，物体对于垂直于该旋转轴的轴的转动惯量；其他类推；23、质量偏移产生的额外力矩表示为：24、<mstyledisplaystyle="true"mathcolor="#000000"><msub><mi>τ</mi><mi>body</mi></msub><mi>=</mi><msub><mi>p</mi><mi>var</mi></msub><mi>×</mi><msub><mi>r</mi><mi>be</mi></msub><mrow><mo>[</mo><mtable><mtr><mtd><mn>0</mn></mtd></mtr><mtr><mtd><mn>0</mn></mtd></mtr><mtr><mtd><mi>g</mi></mtd></mtr></mtable><mo>]</mo></mrow><msub><mi>m</mi><mi>var</mi></msub></mstyle>25、式中，表示质量偏移产生的额外力矩，表示机体上发生的质量变化，表示在机体坐标系中的位置，表示姿态旋转矩阵，表示重力加速度。26、进一步地，所述传感器故障模型包括：27、陀螺仪故障模型，其表示如下：28、29、30、式中，表示机体真实角速率；表示测量后的角速率；均表示白噪声；表示陀螺仪的零偏漂移量；表示陀螺仪的尺度因子的变化；下标i表示陀螺仪序号；表示陀螺仪常值偏置的变化；为陀螺仪的冲击系数变化；表示对求导；31、加速度计故障模型，其表示如下：32、33、34、式中，均表示白噪声；表示机体真实加速度；表示测量后的比力；表示加速度计的零偏漂移量；表示加速度计尺度因子的变化；下标表示加速度计序号；表示重力加速度；表示杆臂向量；表示姿态旋转矩阵；<mstyledisplaystyle="true"mathcolor="#000000"><msub><mi>e</mi><mn>3</mn></msub><mi>≜</mi><mi>[</mi><mn>0</mn><mi></mi><mn>0</mn><mi></mi><mn>1</mn><msup><mi>]</mi><mi>t</mi></msup></mstyle>表示沿z轴的单位向量；表示对求导；35、磁力计故障模型，其表示如下：36、37、38、式中，均表示白噪声；表示地理系下的磁场向量；表示测量的磁场向量；表示磁力计尺度因子的变化；表示磁力计的零偏漂移量；下标表示磁力计序号；表示磁力计常值偏置的变化；39、气压计故障模型，其表示如下：40、41、42、式中，表示气压计的测量高度；表示白噪声；表示气压计尺度因子的变化；下标表示气压计序号；表示气压计的常值偏置的变化；表示气压计的零偏漂移量；表示机体在地理坐标中的高度；43、gps故障模型，其表示如下：44、45、46、式中，表示白噪声；表示gps尺度因子的变化；下标r表示gps序号；表示gps常值偏置的变化；表示gps的零偏漂移量；表示真实位置信号；表示测量到的位置信号。47、进一步地，还包括环境故障模型，所述环境故障模型包括风扰动故障模型和障碍物模型，所述风扰动故障模型加载于所述无人机运动仿真器或三维环境仿真器中，所述障碍物模型加载于所述三维环境仿真器中。48、进一步地，所述风扰动故障模型表示如下：49、50、式中，表示总的风场值；表示大气紊流风场；表示常风风场；表示切面风；表示阵风；51、风扰动会导致无人机力和力矩的变化，风扰动的力描述如下：52、53、54、式中，表示风扰动产生的力；表示机体的空气阻力系数；为空气相对机体的速度；为姿态旋转矩阵；表示机体坐标系下的无人机速度；55、风扰动产生的力矩描述如下：56、57、<mstyledisplaystyle="true"mathcolor="#000000"><msub><mi>p</mi><mi>wind</mi></msub><mi>=</mi><mrow><mo>[</mo><mtable><mtr><mtd><msub><mi>x</mi><mi>wind</mi></msub></mtd></mtr><mtr><mtd><msub><mi>y</mi><mi>wind</mi></msub></mtd></mtr><mtr><mtd><msub><mi>z</mi><mi>wind</mi></msub></mtd></mtr></mtable><mo>]</mo></mrow></mstyle>58、式中，表示风扰动产生对的力矩；表示风力作用点位于机体坐标系下的位置，、、分别表示该位置在机体坐标系下的x轴、y轴、z轴上的分量。59、进一步地，所述障碍物模型通过三维环境仿真器搭建，用于在测试时于预设的故障时间调用该障碍物模型来模拟具体的任务场景。60、进一步地，所述测试模块进行故障测试包括：61、初始化：包括通信连接初始化、故障参数初始化、故障测试用例初始化和三维场景初始化；62、复位：根据测试需求使无人机处于测试故障前一刻的正常飞行状态；63、故障注入：根据测试需求选择感兴趣的故障模块，并将故障测试用例的故障参数值发送至对应的故障模型；64、用例评估：通过收集故障注入后的无人机运动状态，判断不同故障参数注入之后的飞行测试结果。65、第二方面，提供了一种基于半实物仿真的无人机自动化测试方法，包括：66、s1：搭建无人机半实物仿真平台，具体包括：67、s1.1：搭建整机故障模型和环境故障模型；所述整机故障模型是在无人机运动模型的基础上结合故障原理，设计故障参数形成；所述环境故障模型包括风扰动故障模型和障碍物模型；所述整机故障模型包括动力系统故障模型、负载故障模型、传感器故障模型。所述动力系统故障模型为通过在动力系统的各模块的模型中叠加扰动故障系数而形成；所述负载故障模型为在通过在转动惯量模型中叠加由于机体上发生的质量变化产生的转动惯量的变化而形成；所述传感器故障模型为通过在各传感器模型中叠加零偏漂移量、尺度因子的变化、常值偏置的变化和白噪声而形成；68、s1.2：根据搭建的整机故障模型和环境故障模型生成动态链接库，在仿真时动态加载；69、s1.3：搭建无人机运动仿真器、三维环境仿真器、地面控制站；所述三维环境仿真器、地面控制站均与所述无人机运动仿真器通信连接；所述无人机运动仿真器、三维环境仿真器均与飞控模块通信连接构成半实物仿真闭环；仿真时，整机故障模型用于加载至无人机运动仿真器，风扰动故障模型用于加载至无人机运动仿真器或三维环境仿真器，障碍物模型用于加载至三维环境仿真器；70、s2：自动化测试，具体包括：71、s2.1：初始化，包括通信连接初始化、故障参数初始化、故障测试用例初始化和三维场景初始化；72、s2.2：复位，根据测试需求使无人机处于测试故障前一刻的正常飞行状态；73、s2.3：故障注入，根据测试需求选择感兴趣的故障模块，并将故障测试用例的故障参数值发送至对应的故障模型；74、s2.4：用例评估：通过收集故障注入后的无人机运动状态，判断不同故障参数注入之后的飞行测试结果。75、本发明提出了一种基于半实物仿真的无人机自动化测试系统及方法，采用半实物仿真技术能实现高逼真的仿真，实现高效的无人机自动化测试，解决了真机实验的高成本、费时费力的问题，对无人机测试、安全建模方面具有重大意义。当前第1页12当前第1页12