[发明专利]一种可视化无人机飞行控制半实物仿真测试方法及系统

说明书

技术领域

本发明涉及一种可视化无人机飞行控制半实物仿真测试方法及系统，属于可视化系统仿真技术领域。

背景技术

半实物仿真是指在系统的仿真回路中接入控制器、执行机构或传感器等部分实物的仿真。对系统中比较简单的部分或对其规律比较清楚的部分或受条件限制无法将实物接入系统的部分建立数学模型在计算机上加以实现，而对比较复杂确又可以将实物接入系统的不见，可以采用实物进行仿真，从而可以避免某些部件建模困难的问题。

但是这种半实物仿真技术只能提供数值型态的计算数据，缺乏对仿真对象、仿真过程和仿真结果的可视性、生动性和直观性，不利于为大型决策提供支持。

随着计算机技术的发展，视景仿真已经成为飞行仿真系统一个不可或缺的重要组成部分。视景系统主要功能是视景模拟，实现人和外界环境的交互作用。视景系统产生座舱外的景象，包括机场跑道、灯光、建筑物、田野、河流、道路、地形地貌、飞行器等等。视景系统还具备模拟能见度、云、雨雪等天气条件，以及白天、黄昏、夜间的不同景象，生成包括空中和地面活动目标的图像。

现在越来越多的研究机构开发了降低成本的飞行模拟器，这些模拟器能够对飞行数据进行三维视景显示，直观、动态的再现飞行过程，有利于发现控制系统的缺陷，及时进行修正。目前存在的可视化实时飞行模拟器很多，包括X-plane、FlightGear、Simulator等，这些仿真软件都含有一个或者多个飞行动力学模型，也具有二次开发接口及配套的工具，用户可以设计新地图、飞行器三维模型、仪表系统以及动力学模型、但是，上述飞行仿真软件提供的动力学模型与飞控系统设计的接口非常有限，仅能修改其内嵌的动力学模型与飞控系统参数，这显然不能满足飞行器设计人员的要求。南京航空航天大学直升机旋翼动力学实验室开发的飞行模拟器X-plane为视景系统，而动力学模型可由用户选择使用X-plane自带的或者用户开发的，实现了较强的二次开发能力，但是用户必须将动力学模型与飞控系统转化为C++源码，并编译为动态链接库，并需要对相关接口工具进行重新编译，较为繁琐。

发明内容

本发明针对已有的飞行控制仿真系统不能实时、直观的显示飞行状态和数据的缺点，提出了一种可视化无人机飞行控制半实物仿真测试方法及系统。

本发明的目的是通过下述技术方案实现的。

步骤一、建立无人机系统动力学模型。

将无人机作为被控对象，实质上是控制无人机的气流速度V、迎角α、侧滑角β、滚转角速度p、俯仰角速度q、偏航角速度r、滚转角俯仰角θ、偏航角ψ以及方位参数x_e、y_e和高度H共12个状态量。其中副翼偏转角、方向舵偏转角、升降舵偏转角及油门开度分别用δ_a、δ_r、δ_e和δ_f来表示。

无人机的控制量U和状态量X表示为：

U=[δ_a δ_r δ_e δ_f]^T

X=[V αβp q rφθψ x_e y_e H]^T

无人机的六自由度非线性运动数学模型是由无人机的动力学方程、以及绕质心转动的运动学方程组成，在机体坐标系内建立绕质心转动的运动学方程。无人机的运动方程由12个状态量的微分方程描述。