[发明专利]一种四旋翼无人机硬件在环可视化仿真方法

权利要求书

1.一种四旋翼无人机硬件在环可视化仿真方法，其特征在于，包括无人机数字孪生模型、目标控制器模型和三维视景仿真系统三部分，建模使用的坐标系为机体坐标系和地球坐标系，其步骤如下：

S1、利用无人机数字孪生模型建模；

S2、通过Mavlink协议的S-Funtion进行通信；

S3、使用三维视景仿真系统中的曲面造型对无人机三维重塑；

其中，步骤S1包括：分析四旋翼无人机在起飞、巡航、悬停、降落的受力情况、动力学特征和性能指标，建立动力学方程和运动学方程；采用复杂系统建模法，在Simulink环境中构建的产品物理实体全要素的数字化映射，按照四旋翼无人机动力学特性进行构建；

所述目标控制器模型采用串级控制结构，外环采用比例P控制，内环使用PID调节。

2.如权利要求1所述一种四旋翼无人机硬件在环可视化仿真方法，其特征在于，步骤S2包括：

S21、Robotics System Toolbox UAV Library工具箱里集成了Malink解析打包的函数，其中deserializemsg函数解析来自缓冲区的mavlink包；serializemsg函数打包成mavlink包，通过com口发给PX4；

S22、编写MavlinkSerial_Receive和MavlinkSerial_Send函数，实现了Pixhawk与Simulink之间的通信；

S23、MavlinkSerial_Receive模块负责接收PX4并发给数字孪生模型的PWM控制信号，MavlinkSerial_Send模块负责将数字孪生模型的姿态数据发送给目标控制器。

3.如权利要求1所述一种四旋翼无人机硬件在环可视化仿真方法，其特征在于，步骤S3包括：

S31、按照面向对象的设计方法，利用CATIA软件构建了四旋翼螺旋桨、电机和机臂三维模型；

S32、将设计好的配件模型按照实际尺寸和几何位置关系进行装配，复现四旋翼无人机的外观形状；

S33、把装配好的配件模型转化为STL格式，并导入AC3D中进行再组装和命名，并导入FlightGear中进行三维视景仿真。

4.如权利要求1所述一种四旋翼无人机硬件在环可视化仿真方法，其特征在于，所述无人机数字孪生模型包括刚体运动动态模型、旋翼动力学模型和作动器模型，所述刚体运动动态模型包括运动学模型和动力学模型，步骤S1包括：采用四元数模型描述刚体运动动态，刚体动力学特性可描述为：

刚体运动学特性可描述为：

式中，e代表地球坐标系，b代表机体坐标系，^bω为机体角速度，G_a为陀螺力矩，τ为螺旋桨在机体轴上产生的力矩，J为转动惯量，为在惯性坐标系下表示位置向量，m代表四旋翼质量，g代表重力加速度，f^e代表拉力，I₃代表单位向量，e₃代表沿着ze轴方向的向量，b₃代表沿着zb轴方向的向量，为四元数的标量部分，为四元数的向量部分，^ev是求导加速度。

5.如权利要求4所述的四旋翼无人机硬件在环可视化仿真方法，其特征在于，四旋翼无人机的动力学模型中，四旋翼无人机的拉力和力矩是通过四个螺旋桨产生的，拉力产生三个方向的加速度，力矩产生三个方向上的旋转动量，四个电机产生的拉力总和^bF_T为：

四个电机产生的力矩^bT为：

其中，c_T为单桨拉力系数，c_M是力矩系数，为螺旋桨角速度，L＝l sin(π/4)，l为机臂的长度。