基于可编辑配置参数接口的四旋翼快速建模设计方法技术

基于可编辑配置参数接口的四旋翼快速建模设计方法，其特征在于，其包括以下步骤：步骤1：动力学模型包括变量模块、XML配置文档解析模块、状态解算模块；步骤2：定义配置参数XML文档；步骤3：根据四旋翼飞行器的运动分解，将四旋翼飞行器的运动分为横侧向运动与纵向运动，并分别编写横侧向运动与纵向运动的状态解算方程；步骤4：设计XML配置文档解析程序；步骤5：在四旋翼飞行器呈对称均匀分布的固定条件下，对于不同的四旋翼飞行器可以复用同一动力学模型，只需修改XML文档中的四旋翼飞行器的配置参数再重新解析到动力学模型中即可。本发明专利技术极大缩短用户时间，减少用户开发周期。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于计算机飞行器性能仿真领域，具体涉及一种基于可编辑配置参数接口的四旋翼无人机快速建模设计方法。
技术介绍
四旋翼无人机建模是一项复杂耗时的过程，用户在进行四旋翼无人机相关研究工作时，第一个要面临的任务就是对四旋翼无人机进行数学建模，数学模型是开展研究工作的基础，由于四旋翼无人机的机理建模过程是固定的，也就是其数学模型(本专利技术申请指的是动力学模型)包含的数学方程形式是固定不变的。变化的仅是方程中体现四旋翼无人机属性的相关参数，如四旋翼无人机的机体质量、旋翼升力系数、旋翼质量、阻力系数、电机转动惯量、电机质量、机体坐标系轴向的转动惯量等等。四旋翼无人机作为近几年研究比较热门的新兴领域，对于其建模做详细介绍的中文文献非常少，外文文献在这方面做得比较好。对于一位四旋翼无人机初学者，要想对四旋翼无人机进行比较全面的了解并进行建模，必须经过相当长的一段时间进行文献搜索并进行学习体悟才能做到。即使对于四旋翼无人机建模过程非常熟悉的相关研究者，如果每一次进行无人机的模型开发都要建模的话，这一过程就是重复性的劳动，这就极大的延长了四旋翼无人机的模型开发周期。针对现有技术中存在的问题，有必要研发一种具有创新性和新颖性的四旋翼无人机快速建模设计方法。
技术实现思路
本专利技术提供一种基于可编辑配置参数接口的四旋翼无人机快速建模设计方法，以此来解决现有技术中存在的重复性的劳动、工作效率低、沿长了四旋翼无人机的模型开发周期等问题，在无人机建模这一环节极大地缩短了用户时间，从而也大大减少用户的四旋翼无人机模型开发周期。本专利技术是通过以下技术方案来实现的：基于可编辑配置参数接口的四旋翼快速建模设计方法，其包括以下步骤：步骤1：基于VC2010将四旋翼无人机动力学模型写入程序中，动力学模型包括变量模块、XML配置文档解析模块、状态解算模块；所述变量模块包括：控制输入、状态变量、配置参数；配置参数用于四旋翼飞行器动力学模型的解算；状态变量用于记录动力学模型解算出的姿态信息和位置信息；所述状态解算模块包括运动状态解算模块和电机输出模型；所述运动状态解算模块包括力方程模块、力矩方程模块、姿态解算模块和位置解算模块；所述状态解算模块用于仿真实验；步骤2：定义配置参数XML文档，将四旋翼无人机的配置参数定义到XML文档中，在四旋翼飞行器动力学模型初始化时，将四旋翼飞行器的配置参数从XML文档中读取到四旋翼飞行器动力学模型中；步骤3：根据四旋翼飞行器的运动分解，将四旋翼飞行器的运动分为横侧向运动与纵向运动，并分别编写横侧向运动与纵向运动的状态解算方程；步骤4：设计XML配置文档解析程序，将四旋翼飞行器的配置参数加载到动力学模型中，实现运动状态解算；步骤5：在四旋翼飞行器呈十字交叉严格对称固定的条件下，对于不同的四旋翼飞行器可以复用同一动力学模型，只需修改XML文档中的四旋翼飞行器的配置参数再重新解析到动力学模型中即可。所述步骤2中的定义配置参数XML文档具体包括以下步骤：步骤2.1：首先利用XML编辑器创建XML文档，并定义文档根节点；步骤2.2：定义第一层节点，共6个节点，其中，节点1标记第一层节点数、节点2标记螺旋桨升力系数、节点3标记四旋翼飞行器配置参数、节点4标记四旋翼飞行器阻尼力矩系数、节点5标记四旋翼飞行器阻尼系数、节点6标记四旋翼飞行器电机参数；步骤2.3：为步骤2.2中的节点3和节点6分别创建子节点，节点3包括有9个子节点并对每一个子节点进行相应的定义,分别为子节点1定义该节点子节点个数，子节点2定义螺旋桨半径，子节点3定义轴距，子节点4定义螺旋桨质量，子节点5定义机身质量，子节点6定义电机质量，子节点7定义x轴转动惯量，子节点8定义y轴转动惯量，子节点9定义z轴转动惯量；节点6包括5个子节点，并对每一个子节点进行相应的定义；分别为子节点1定义电机内阻h，子节点2定义电机等效电阻L,子节点3定义电机反电磁感应系数K,子节点4定义电机Kv值，子节点5定义电机直径、高度；步骤2.4：为步骤2.3中的节点2、节点3、节点4创建内层节点；所述步骤4中的XML配置文档解析具体包括以下步骤：步骤4.1：将XML文档加载到状态解算程序中，开始解析XML文档；步骤4.2：将文档指针定位到根节点，获取第一层节点的节点数；步骤4.3：判断第一层节点是否已全部遍历，如果是XML文档解析结束，如果否，则执行下一步骤；步骤4.4：将文档指针定位到当前第一个节点的子节点；步骤4.5：判断当前节点的子节点是否已全部遍历，如果是将文档指针定位到下一个节点并重复步骤3.4,如果否，则执行下一步骤；步骤4.6：将文档指针定位到当前子节点的第一个内层节点；步骤4.7：判断当前节点的子节点的内层节点是否已全部遍历，如果是，将文档指针定位到下一个子节点并重复步骤3.5,如果否，则执行下一步骤；步骤4.8：将当前内层节点对应的配置参数值读取到相应的状态解算模块中；步骤4.9：将文档指针定位到下一个里层节点；并重复步骤3.7，直到所有节点的子节点中的内层节点全部读取为止；步骤4.10：保存并关闭XML文档，将配置参数加载到计算机内存中。其中第一层节点代表对应的是四旋翼机身，电机的参数以及气动参数；节点的子节点代表相应参数的具体项；子节点的里层节点代表该气动参数标记的一维表数据个数；需要写入XML文件的配置参数表：为便理解，附如下升力系数的XML文档标记格式；所述变量模块包括四旋翼无人机的配置参数、状态变量以及控制输入。其中配置参数用于飞行器动力模型的解算，这些参数变量包括四旋翼无人机的机体质量、机身臂长、旋翼升力系数、旋翼质量、旋翼半径、阻力系数、电机转动惯量、电机质量、机体坐标系轴向的转动惯量；状态变量用于记录模型解算出的姿态信息、位置信息，其中表征姿态信息的变量包括绕机体坐标轴旋转产生的三个欧拉姿态角(俯仰角θ、滚转角偏航角ψ)以及对应的角速度(俯仰角速度q、滚转角速度p、偏航角速度r)，表征位置信息的变量包括在地面坐标系下三个轴向的位置分量xg,yg,zg、速度分量u,v,w；控制输入包括[U1U2U3U4]，对应四个电机的输入电压。所述XML文档及XML解析模块：将四旋翼数学模型的配置参数写入XML文件中，从模型中将配置参数剥离出来并抽象化，在各解算模块中以变量代替，通过XML解析程序将文件中的配置参数解析到对应的变量中，实现数学模型的初始化，解析程序的作用就是分析树，通过进行树遍历就可以对每个元素进行操作，将其解析到无人机模型方程中，从而将方程具体化。创建XML文档的方法见说明书附图4、图5、图6，XML文档解析方法见说明书附图7。所述电机输出模型，具体包括以下内容：定义为电机输入电压、为电机转速、为电机的动力矩、K为电势常数、h为电机线圈内阻、I4四阶的单位向量；根据公式(1)ui指每个电机输入的电压，其中Mmi指单个电机的动力矩，将e＝Kωi，代入公式(1)中整理得到公式(2)：ωi指单个电机的角速度；将公式(2)写成矢量形式，如公式(3)所示：指电机的动力矩向量，指电机的角速度向量，对于一个电机而言，有公式(4)所示：ωi指单个电机的角速度，Mri为单个电机的合力矩整理得公式(5)所示：指电机的角速度矢量转置；其中，I为电机线圈中电流，Mdi为本文档来自技高网...

【技术保护点】
基于可编辑配置参数接口的四旋翼快速建模设计方法，其特征在于，其包括以下步骤：步骤1：基于VC2010将四旋翼无人机动力学模型写入程序中，动力学模型包括变量模块、XML配置文档解析模块、状态解算模块；所述变量模块包括：控制输入、状态变量、配置参数；配置参数用于四旋翼飞行器动力学模型的解算；状态变量用于记录动力学模型解算出的姿态信息和位置信息；所述状态解算模块包括运动状态解算模块和电机输出模型；所述运动状态解算模块包括力方程模块、力矩方程模块、姿态解算模块和位置解算模块；所述状态解算模块用于仿真实验；步骤2：定义配置参数XML文档，将四旋翼无人机的配置参数定义到XML文档中，在四旋翼飞行器动力学模型初始化时，将四旋翼飞行器的配置参数从XML文档中读取到四旋翼飞行器动力学模型中；步骤3：根据四旋翼飞行器的运动分解，将四旋翼飞行器的运动分为横侧向运动与纵向运动，并分别编写横侧向运动与纵向运动的状态解算方程；步骤4：设计XML配置文档解析程序，将四旋翼飞行器的配置参数加载到动力学模型中，实现运动状态解算；步骤5：在四旋翼飞行器呈对称均匀分布的固定条件下，对于不同的四旋翼飞行器可以复用同一动力学模型，只需修改XML文档中的四旋翼飞行器的配置参数再重新解析到动力学模型中即可。...

【技术特征摘要】
1.基于可编辑配置参数接口的四旋翼快速建模设计方法，其特征在于，其包括以下步骤：步骤1：基于VC2010将四旋翼无人机动力学模型写入程序中，动力学模型包括变量模块、XML配置文档解析模块、状态解算模块；所述变量模块包括：控制输入、状态变量、配置参数；配置参数用于四旋翼飞行器动力学模型的解算；状态变量用于记录动力学模型解算出的姿态信息和位置信息；所述状态解算模块包括运动状态解算模块和电机输出模型；所述运动状态解算模块包括力方程模块、力矩方程模块、姿态解算模块和位置解算模块；所述状态解算模块用于仿真实验；步骤2：定义配置参数XML文档，将四旋翼无人机的配置参数定义到XML文档中，在四旋翼飞行器动力学模型初始化时，将四旋翼飞行器的配置参数从XML文档中读取到四旋翼飞行器动力学模型中；步骤3：根据四旋翼飞行器的运动分解，将四旋翼飞行器的运动分为横侧向运动与纵向运动，并分别编写横侧向运动与纵向运动的状态解算方程；步骤4：设计XML配置文档解析程序，将四旋翼飞行器的配置参数加载到动力学模型中，实现运动状态解算；步骤5：在四旋翼飞行器呈对称均匀分布的固定条件下，对于不同的四旋翼飞行器可以复用同一动力学模型，只需修改XML文档中的四旋翼飞行器的配置参数再重新解析到动力学模型中即可。2.根据权利要求1所述的基于可编辑配置参数接口的四旋翼快速建模设计方法，其特征在于:所述步骤2中的定义配置参数XML文档具体包括以下步骤：步骤2.1：首先利用XML编辑器创建XML文档，并定义文档根节点；步骤2.2：定义第一层节点，共6个节点，其中，节点1标记第一层节点数、节点2标记螺旋桨升力系数、节点3标记四旋翼飞行器配置参数、节点4标记四旋翼飞行器阻尼力矩系数、节点5标记四旋翼飞行器阻尼系数、节点6标记四旋翼飞行器电机参数；步骤2.3：为步骤2.2中的节点3和节点6分别创建子节点，节点3包括有9个子节点并对每一个子节点进行相应的定义，节点6包括5个子节点，并对每一个子节点进行相应的定义；(说明书中具体说明么、定义什么)步骤2.4：为步骤2.3中的节点2、节点3、节点4创建内层节点；步骤2.5：保存并关闭XML文档，完成配置参数的标记。3.根据权利要求1所述的基于XML配置参数文档的四旋翼飞行器动力学模型设计方法，其特征在于:所述步骤4中的XML配置文档解析具体包括以下步骤：步骤4.1：将XML文档加载到状态解算程序中，开始解析XML文档；步骤4.2：将文档指针定位到根节点，获取第一层节点的节点数；步骤4.3：判断第一层节点是否已全部遍历，如果是XML文档解析结束，如果否，则执行下一步骤；步骤4.4：将文档指针定位到当前第一个节点的子节点；步骤4.5：判断当前节点的子节点是否已全部遍历，如果是将文档指针定位到下一个节点并重复步骤3.4,如果否，则执行下一步骤；步骤4.6：将文档指针定位到当前子节点的第一个内层节点；步骤4.7：判断当前节点的子节点的内层节点是否已全部遍历，如果是，将文档指针定位到下一个子节点并重复步骤3.5,如果否，则执行下一步骤；步骤4.8：将当前内层节点对应的配置参数值读取到相应的状态解算模块中；步骤4.9：将文档指针定位到下一个里层节点；并重复步骤3.7，直到所有节点的子节点中的内层节点全部读取为止；步骤4.10：保存并关闭XML文档，将配置参数加载到计算机内存中。4.根据权利要求1所述的基于XML配置参数文档的四旋翼飞行器动力学模型设计方法，其特征在于:所述电机输出模型，具体包括以下内容：定义为电机输入电压、为电机转速、为电机的动力矩、K为电势常数、h为电机线圈内阻、I4四阶的单位向量；根据公式(1)ui=hI+LdIdt+e---(1)]]>ui指每个电机输入的电压，其中Mmi指单个电机的动力矩，将e＝Kωi，代入公式(1)中整理得到公式(2)：Mmi′=-hLMmi-K2Lωi+KLui---(2)]]>ωi指单个电机的角速度；将公式(2)写成矢量形式，如公式(3)所示：Mm′→=-hLI4Mm→-K2LI4ωm→+KLI4U→---(3)]]>指电机的动力矩向量，指电机的角速度向量，对于一个电机而言，有公式(4)所示：Mri=Mmi+Mdi=Mmi-αωi2=Jriωi′---(4)]]>ωi指单个电机的角速度，Mri为单个电机的合力矩；整理得公式(5)所示：ωm′→=1JriI4Mm→-αJriωm→TI4ωm→---(5)]]>指电机的角速度矢量转置；其中，I为电机线圈中电流，Mdi为电机转动时的阻力矩，Mri为电机的合力矩，α电机阻力矩系数，Jri为电机转动惯量，L为电感，e为电机的反电动势，，表示动力矩向量的微分，ωi′为单个电机的角加速度，为电机角加速度矢量。5.根据权利要起1所述的基于XML配置参数文档的四旋翼飞行器动力学模型设计方法，其特征在于:所述运动状态解算模块，具体包括以下内容：(1)根据电机控制输入电压，解算力、力矩；其中力按照坐标轴分解，分别为Fx、Fy、Fz；具体解算如下：Fx解算方程如公式(6)所示：Fx＝-mgsinθ-k1vx(6)其中，m表示无人机质量，g表示无...

【专利技术属性】
技术研发人员：卢艳军，张友伟，罗元墙，王卫宁，魏慎娜，
申请(专利权)人：沈阳航空航天大学，
类型：发明
国别省市：辽宁;21