[发明专利]一种无人机虚拟飞行仿真方法及系统

权利要求书

1.一种无人机虚拟飞行仿真方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、构建仿真无人机的模型，并设置该无人机的飞行动力学参数；

步骤2、在gazebo仿真系统中结合地图创建仿真环境模型，并在环境模型中设置属性参数和干扰因素；

步骤3、根据无人机的模型以及动力学参数确定无人机的控制参数；

步骤4、将无人机的模型、无人机的飞行动力学参数、控制参数导入gazebo仿真系统；

步骤5、在飞行控制系统中配置导航模块、传感器模块、姿态控制模块、位置控制模块以及状态估计模块；

步骤6、依次启动gazebo仿真系统和飞行控制系统，进行无人机的仿真，传感器模块实时获取原始的传感器数据，传感器数据传输到状态估计模块并得到无人机实时的姿态信息和位置信息，位置控制模块根据位置信息以及导航模块的航路信息进行位置控制，并得到的期望姿态信息，姿态控制模块通过期望姿态信息以及姿态信息对无人机进行姿态调整，并在gazebo仿真系统中实时看到无人机的控制效果。

2.根据权利要求1所述的一种无人机虚拟飞行仿真方法，其特征在于，步骤1中在sdf文件设定无人机飞行参数，同时设定无人机的负载参数、无人机模型的外形参数。

3.根据权利要求1所述的一种无人机虚拟飞行仿真方法，其特征在于，步骤2所述的属性参数包括碰撞属性和惯性属性；

所述干扰因素包括环境风、电磁以及碰撞物。

4.根据权利要求1所述的一种无人机虚拟飞行仿真方法，其特征在于，步骤3中通过飞行控制系统中的c参数文件设置控制器参数，同时通过c参数文件控制仿真系统的硬件参数。

5.根据权利要求1所述的一种无人机虚拟飞行仿真方法，其特征在于，所述传感器模块包括空速传感器、陀螺仪传感器、加速度传感器、磁力计传感器和GPS传感器；根据各传感器获取无人机飞行过程中的实时状态信息。

6.根据权利要求5所述的一种无人机虚拟飞行仿真方法，其特征在于，所述空速传感器依据gazebo仿真系统的虚拟环境下的虚拟大气压强值和虚拟空气密度值，计算无人机飞行过程中的实时空速值；

所述陀螺仪传感器，用于获取无人机飞行过程中的实时三轴角速度，根据三轴角速度确定无人机实时的姿态信息；

所述加速度传感器，用于获取无人机飞行过程中的线运动速度值，根据线运动速度值确定无人机实时的位移信息；

所述磁力计传感器，用于获取无人机飞行过程中的实时磁航向，根据磁航向确定无人机飞行过程中的实时磁航向；

所述GPS传感器，用于获取无人机飞行过程中的实时三维位置坐标。

7.根据权利要求1所述的一种无人机虚拟飞行仿真方法，其特征在于，所述位置控制模块采用PID的形式控制，用于无人机的高度控制和横侧向的轨迹控制；

所述位置控制模块输入为期望位置信息，将期望位置信息与当前实际飞行位置信息做差，将位置差值传入PID控制，经过PID控制中的比例、积分和微分控制得到期望姿态，通过期望姿态控制无人机的高度和横侧向轨迹。

8.根据权利要求1所述的一种无人机虚拟飞行仿真方法，其特征在于，所述姿态控制模块采用自适应自抗扰控制法进行控制，用于控制无人机按照期望的姿态进行飞行；

所述姿态控制模块输入为期望姿态信息，期望姿态信息经过跟踪微分器得到期望姿态估计值和期望姿态变化速度，期望姿态估计值和扩张状态观测器输出的姿态反馈值做差得到差值e1，期望姿态变化速度和扩张状态观测器输出的姿态变化速率反馈值做差得到差值e2，根据差值e1和差值e2得到控制量u0，控制量u0加上扩张状态观测器补偿的控制量Δu后经过比例放大后得到最终的控制量u1，根据控制量u1控制杆无人机的姿态。

9.根据权利要求1所述的一种无人机虚拟飞行仿真方法，其特征在于，所述状态估计模块基于非线性扩展卡尔曼滤波，结合传感器数据，通过姿态和位置滤波器对传感器的姿态数据和位置数据进行滤波，得到的无人机位置和姿态信息。

10.一种执行权利要求1-9任一项所述的一种无人机虚拟飞行仿真方法的系统，其特征在于，包括，

无人机模型模块，用于构建仿真无人机的模型，并设置该无人机的飞行动力学参数；

gazebo仿真系统，用于根据地图创建仿真环境模型，并在环境模型中设置属性参数和干扰因素；

飞行控制器模块，用于根据无人机的模型以及动力学参数确定无人机的控制参数；

传输模块，用于将无人机的模型、无人机的飞行动力学参数、控制参数导入gazebo仿真系统；

飞行控制系统模块，用于配置导航模块、传感器模块、姿态控制模块、位置控制模块以及状态估计模块；

仿真模块，用于进行无人机的仿真，传感器模块实时获取原始的传感器数据，传感器数据传输到状态估计模块并得到无人机实时的姿态信息和位置信息，位置控制模块根据位置信息以及导航模块的航路信息进行位置控制，并得到的期望姿态信息，姿态控制模块通过期望姿态信息以及姿态信息对无人机进行姿态调整，并在gazebo仿真系统中实时看到无人机的控制效果。