[发明专利]一种四旋翼无人机硬件在环可视化仿真方法

说明书

一种四旋翼无人机硬件在环可视化仿真方法，属于四旋翼技术领域，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，利用无人机数字孪生模型建模；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。通过Mavlink协议的S‑Funtion进行通信；使用三维视景仿真系统中的曲面造型对无人机三维重塑；四旋翼无人机数字孪生模型能较好地跟随遥控器姿态控制指令，硬件在环可视化仿真姿态与姿态曲线变化一致，与实际姿态的航迹高度吻合，为后期控制算法的优化设计奠定了平台基础。

技术领域

本发明属于四旋翼技术领域，具体涉及一种四旋翼无人机硬件在环可视化仿真方法。

背景技术

四旋翼无人机由于体积小、重量轻、隐蔽性好、结构简单、成本低等优点在军事领域和民用领域都有着广阔的应用前景，在无人机研发过程中常需对飞机进行性能和品质的全面测试，消耗了大量的人力和财力，为了缩短研制周期，降低成本，无人机实际试飞前控制算法的仿真对于测试无人机的性能起着至关重要的作用，目前的仿真验证方法主要是数字仿真和半物理仿真，半物理仿真将系统部分实物引入仿真回路，尽可能真实模拟实际飞行状况，较数字仿真更能有效验证飞行控制系统的可靠性，尤其初期试飞调参及后期控制策略改进阶段应用广泛。

发明内容

为了解决测试无人机性能准确的问题，本发明提出：一种四旋翼无人机硬件在环可视化仿真方法，技术方案如下：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。

进一步地，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。

进一步地，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。