[发明专利]一种基于ROS的固定翼无人机自动驾驶仪的仿真方法

说明书

本发明公开了一种基于ROS的固定翼无人机自动驾驶仪的仿真方法，在Gazebo中搭建环境模型，或者制作数字高程模型、卫星图像等导入Gazebo中使用。对于单体固定翼无人机的自动驾驶系统，采用模块化的设计。整个系统包括传感器模块、状态估算模块、无人机飞行控制模块、路径跟随模块、路径管理模块以及规划路径模块。将构建的单体固定翼无人机模型导入Gazebo中，开始对单体固定翼无人机自动驾驶仪进行仿真模拟；基于ROS平台，将传统的固定翼无人机仿真转化分模块的开放式机器人系统仿真，ROS平台的可分布式还提供了多机模拟的可能。利用Gazebo三维物理仿真平台，解决了传统仿真方式的仿真视觉效果差、拟真度低和物理仿真效果不真实的问题。

技术领域

本发明涉及无人机飞行技术领域，具体涉及一种基于ROS的固定翼无人机自动驾驶仪的仿真方法。

背景技术

ROS是机器人操作系统(Robot Operating System)的英文缩写。它提供了为异构计算机群集设计的服务，例如硬件抽象，低级设备控制，常用功能的实现，进程之间的消息传递以及程序包管理。ROS提供了将ROS与Gazebo仿真器集成的软件包。其中，Gazebo是一个开源的3D机器人模拟器，集成了ODE物理引擎，OpenGL渲染以及用于传感器仿真和执行器控制的支持代码，它提供逼真的环境渲染，包括高质量的照明，阴影和纹理。

无人机在世界范围内的防御计划和防御策略中扮演着越来越重要的角色。在军事上有着广泛的应用，如反恐、监控以及中继通信。在民用及商业领域同样有着广泛的潜在应用，包括环境监测，森林火灾检测，边境巡逻，空中监视与测绘，精细化农业，自组通信网络，乡村搜索及搜救。但是，这些应用要想得到成熟的发展，必须增加无人机系统的可靠性，拓展其功能，改善其易用性并且降低其成本。考虑到固定翼无人机真实飞行实验的高昂成本，仿真实验不仅可以检验飞行控制系统的正确性和鲁棒性，还可以有效的降低实验成本。

随着无人机应用范围的扩大且任务更加复杂，传统无人机控制系统采用的封闭式设计方式，针对具体型号的无人机，将软件与硬件紧密耦合，已经无法适应当今时代的需求。开放式机器人系统具有标准化、模块化的特点。无人机系统由多个不同功能的功能节点组成。各节点之间通过topic、service和action的方式进行通信。具有开发周期短、易于修改及重构的特点。

发明内容

为了解决上述背景技术中存在的技术问题，本发明提供了一种基于ROS的固定翼无人机自动驾驶仪的仿真方法，不仅提供了固定翼无人机自动驾驶仪较为真实的仿真效果而且各功能模块之间采用松耦合的方式，提高功能的复用性的同时大大降低了拓展新功能的难度。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为一种基于ROS的固定翼无人机自动驾驶仪的仿真方法，该仿真方法包括以下步骤，

S1：在Gazebo中搭建环境模型，或者制作数字高程模型(DEM)、卫星图像等导入Gazebo中使用。

S2：对于单体固定翼无人机的自动驾驶系统，采用模块化的设计。整个系统包括传感器模块、状态估算模块、无人机飞行控制模块、路径跟随模块、路径管理模块以及规划路径模块。其中，传感器模块包含空速传感器、压强传感器、GPS接收器、六轴惯性测量传感器、数字指南针和里程计。

传感器模块通过各传感器获得无人机飞行过程中的状态参数。六轴惯性测量传感器包含三轴角速率陀螺和三轴加速度计。

状态估算模块基于标准扩展卡尔曼滤波器结合传感器参数，通过一个姿态滤波器和用于GPS平滑的位置滤波器来估算无人机位置、速度和姿态。

无人机飞行控制模块是一系列嵌套的PID控制器，用以实现固定翼的横向状态控制以及纵向状态控制。

路径跟随模块用以实现固定翼直线和轨道路径的跟随。

路径管理模块通过读入路径点以及路径点偏航角，通过圆角路径算法或Dubins路径算法输出无人机飞行路径。