一种无人机半实物仿真系统与仿真方法技术方案

本发明专利技术公开了一种无人机半实物仿真系统与仿真方法，所述的系统包括主控计算机、仿真计算机、仿真台架、飞行控制器。其中，主控计算机包括显示界面UI、数据存储模块、参数调整模块与模型建立模块，所述的仿真计算机包含仿真模型、物理仿真引擎、转台驱动模块、数据转换模块，所述的仿真台架包含三轴仿真转台、数据测量模块、无人机物理模型，所述的飞行控制器包括飞控硬件和惯导传感器。本发明专利技术利用仿真台架与仿真计算机对无人机进行半实物仿真模拟，降低了气动模型搭建的难度，同时，采用物理仿真引擎在地面完成动稳态下的测试，提高了仿真准确度与无人机控制器开发效率。

A semi physical simulation system and method of UAV

【技术实现步骤摘要】
一种无人机半实物仿真系统与仿真方法
本专利技术涉及飞行控制器半实物仿真
，特别是涉及一种共轴异构多旋翼无人机半实物仿真系统与方法。
技术介绍
续航较短是目前多旋翼无人机的通病，一种提升续航的方法是采用类似直升机主旋翼结构的共轴异构升力旋翼，与姿态调整多旋翼组合方式。共轴异构多旋翼构型区别于目前的主流无人机构型，目前没有成熟的数学模型，相应的飞行控制器设计缺少参考，需要利用半实物仿真系统对此新构型进行地面仿真测试。飞行控制器的设计是所有无人机系统的核心系统之一，现代的飞行控制器系统采用的姿态控制、导航、飞行管理系统极其复杂。仿真实时性和仿真精度是影响半实物仿真系统仿真结果可信度的主要因素，其中实时性是飞行仿真的基本要求，同时也是仿真精度的影响要素之一；仿真精度主要取决于模型建立的准确度，它会直接影响控制器的参数设计，从而影响实际飞行效果，共轴异构的多旋翼流体力学模型的建立与模型求解还是行业难点之一。
技术实现思路
本专利技术提出一种无人机半实物仿真系统与仿真方法，能够改进共轴异构新构型多旋翼无人机地面仿真气动模型不精确问题，为飞行控制器地面仿真验证，动态条件下的仿真，参数调整提供一套解决方案。为了达到上述目的，本专利技术提供一种无人机半实物仿真系统，包括主控计算机、仿真计算机、仿真台架、飞行控制器，所述的主控计算机用于建立无人机数学模型、输入或修改无人机数学模型参数和仿真参数，并显示无人机数学模型的飞行动画；所述的仿真计算机，其与主控计算机、仿真台架和飞行控制器连接，所述的仿真计算机用于下载无人机数学模型，实时接收模型参数、仿真参数，并解算无人机数学模型的动力学和运动学；所述的仿真台架，其与仿真计算机连接，所述的仿真转台通过电机调整无人机物理模型的姿态角，并将采集的仿真数据发送给仿真计算机；所述的仿真计算机对接收到的仿真数据解算，并将解算后的融合仿真数据发送给主控计算机和飞行控制器；所述的飞行控制器与仿真台架连接，其用于控制仿真台架中电机的转速，实现无人机物理模型姿态的稳定控制。进一步，所述的主控计算机包括显示界面UI、数据存储模块、参数调整模块与模型建立模块，所述的显示界面UI，其用于根据无人机数学模型的融合仿真数据实时显示无人机数学模型的飞行动画；所述的数据存储模块，其用于记录仿真过程的数据；所述的参数调整模块，其用于输入或修改无人机数学模型参数以及仿真参数并发送给仿真计算机；所述的模型建立模块，其用于建立无人机数学模型。进一步，所述的仿真计算机包含仿真模型、物理仿真引擎、转台驱动模块、数据转换模块，所述的仿真模型，其用于从主控计算机下载无人机数学模型，并实时接收主控计算机发送的无人机数学模型参数和仿真参数；所述的物理仿真引擎，其建立了多物理场模型，用于解算无人机数学模型的动力学和运动学；所述的转台驱动模块，其与仿真台架连接，用于将当前仿真参数的姿态信息发送给仿真台架；所述的数据转换模块，其与用于将无人机数学模型的融合仿真数据打包发送给飞行控制器。进一步，所述的仿真台架包含三轴仿真转台、数据测量模块、无人机物理模型，所述的无人机物理模型，其安装有电机，用于根据所需仿真的无人机旋翼的结构设置电机的安装位置；所述的数据测量模块和无人机物理模型固定安装在三轴仿真转台上，所述的三轴仿真转台，其用于驱动电机调整无人机物理模型的姿态角，模拟无人机飞行过程中的姿态变化；所述的数据测量模块用于采集无人机的仿真数据，并发送给仿真计算机。进一步，所述的飞行控制器包括飞控硬件和惯导传感器，所述的惯导传感器，其用于测量三轴仿真转台的姿态角；所述的飞控硬件，其内置有飞控算法，用于接收融合仿真数据以及三轴仿真转台的姿态角，并根据融合仿真数据、三轴仿真转台的姿态角输出无人机物理模型上电机的脉冲宽度调制信号，控制电机的转速，实现无人机物理模型姿态的稳定控制。本专利技术还提供了一种无人机半实物仿真方法，包括以下步骤：主控计算机建立无人机数学模型，编译后下载无人机数学模型到仿真计算机；在主控计算机上输入无人机数学模型的模型参数以及仿真参数，并发送给仿真计算机；仿真计算机解算无人机数学模型，得到无人机数学模型的解算数据，并发送给仿真台架；仿真台架接收到模型解算数据后改变无人机物理模型的姿态角，并将数据测量模块测得的仿真数据发送给仿真计算机；仿真计算机根据仿真参数的状态解算仿真数据，并将解算后的融合仿真数据发送给飞行控制器和主控计算机；飞行控制器依据融合仿真数据运行待测试的飞控算法，控制无人机物理模型各电机的转速。主控计算机根据融合仿真数据渲染绘制仿真画面，并保存融合仿真数据。优选地，所述的仿真参数的状态分为稳态仿真和动态仿真。优选地，仿真参数的状态为稳态仿真时，数据测量模块测得的仿真数据不经过处理，直接通过仿真计算机进行动力学和运动学解算，并融合高度、速度信息，将融合仿真数据发送给飞行控制器和主控制器。优选地，仿真参数的状态为动态仿真时，所述物理仿真引擎根据物理场流体模型修正动态条件下无人机物理模型的电机桨效，与气流相对运动带来的修正力矩后再进行仿真数据的动力学和运动学解算，修正后的姿态融合仿真数据发送给飞行控制器和主控计算机。本专利技术利用仿真台架及仿真计算机对无人机进行半实物仿真模拟，避免了流体仿真模型对仿真计算机的计算资源占用与计算精度不够问题，提高了仿真实时性与仿真精度。同时，本专利技术引入物理仿真引擎的多物理场模型，对静态情况下仿真测量数据进行修正，模拟动态条件下仿真条件，为飞行控制器设计与参数调整提供完备的仿真数据。附图说明图1为本专利技术实施例提供的一种无人机半实物仿真系统的结构图；图2为本专利技术实施例提供的一种无人机半实物仿真方法的流程图。具体实施方式以下结合附图和具体实施例对本专利技术提出的一种无人机半实物仿真系统与仿真方法作进一步详细说明。根据下面说明和权利要求书，本专利技术的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比率，仅用以方便、明晰地辅助说明本专利技术实施例的目的。本专利技术提供一种无人机半实物仿真系统，包括主控计算机1、仿真计算机2、仿真台架3、飞行控制器4。所述的主控计算机1作为仿真系统和仿真人员交互的通道，提供了较为丰富的接口与功能，本实施例中采用windows系统。主控计算机包括：显示界面UI、数据存储模块、参数调整模块与模型建立模块，所述的显示界面UI使用的工具不限于QT、labwindows/CVI等，用于根据无人机数学模型的融合仿真数据实时显示无人机数学模型的飞行动画；所述的数据存储模块提供了仿真数据的实时保存功能，其用于记录仿真过程的数据；所述的参数调整模块提供了用户输入界面，输入参数包括显示界面UI调整参数、数据存储功能参数、模型仿真参数，其用于输入或修改无人机数学模型参数以及仿真参数并发送给仿真计算机2；所述的模型建立模块，利用Matlab/Simulink搭建无人机数学模型本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种无人机半实物仿真系统，其特征在于，包括主控计算机、仿真计算机、仿真台架、飞行控制器；/n所述的主控计算机用于建立无人机数学模型、输入或修改无人机数学模型参数和仿真参数，并显示无人机数学模型的飞行动画；/n所述的仿真计算机，其与主控计算机、仿真台架和飞行控制器连接，所述的仿真计算机用于下载无人机数学模型，实时接收模型参数、仿真参数，并解算无人机数学模型的动力学和运动学；所述的仿真计算机将解算的无人机数学模型的姿态角发送给仿真台架，并实时接收仿真台架无人机物理模型的仿真数据；所述的仿真计算机对接收到的仿真数据解算，并将解算后的融合仿真数据发送给主控计算机和飞行控制器；/n所述的仿真台架，其与仿真计算机连接，用于接收仿真计算机发送的无人机数学模型的姿态角，并通过电机调整无人机物理模型的姿态角；所述的仿真台架采集无人机物理模型的仿真数据并发送给仿真计算机；/n所述的飞行控制器与仿真台架连接，其用于控制仿真台架中电机的转速，实现无人机物理模型姿态的稳定控制。/n

【技术特征摘要】
1.一种无人机半实物仿真系统，其特征在于，包括主控计算机、仿真计算机、仿真台架、飞行控制器；
所述的主控计算机用于建立无人机数学模型、输入或修改无人机数学模型参数和仿真参数，并显示无人机数学模型的飞行动画；
所述的仿真计算机，其与主控计算机、仿真台架和飞行控制器连接，所述的仿真计算机用于下载无人机数学模型，实时接收模型参数、仿真参数，并解算无人机数学模型的动力学和运动学；所述的仿真计算机将解算的无人机数学模型的姿态角发送给仿真台架，并实时接收仿真台架无人机物理模型的仿真数据；所述的仿真计算机对接收到的仿真数据解算，并将解算后的融合仿真数据发送给主控计算机和飞行控制器；
所述的仿真台架，其与仿真计算机连接，用于接收仿真计算机发送的无人机数学模型的姿态角，并通过电机调整无人机物理模型的姿态角；所述的仿真台架采集无人机物理模型的仿真数据并发送给仿真计算机；
所述的飞行控制器与仿真台架连接，其用于控制仿真台架中电机的转速，实现无人机物理模型姿态的稳定控制。


2.如权利要求1所述的一种无人机半实物仿真系统，其特征在于，所述的主控计算机包括显示界面UI、数据存储模块、参数调整模块与模型建立模块，所述的显示界面UI，其用于根据无人机数学模型的融合仿真数据实时显示无人机数学模型的飞行动画；所述的数据存储模块，其用于记录仿真过程的数据；所述的参数调整模块，其用于输入或修改无人机数学模型参数以及仿真参数并发送给仿真计算机；所述的模型建立模块，其用于建立无人机数学模型。


3.如权利要求1所述的一种无人机半实物仿真系统，其特征在于，所述的仿真计算机包含仿真模型、物理仿真引擎、转台驱动模块、数据转换模块，所述的仿真模型，其用于从主控计算机下载无人机数学模型，并实时接收主控计算机发送的无人机数学模型参数和仿真参数；所述的物理仿真引擎，其建立了多物理场模型，用于解算无人机数学模型的动力学和运动学；所述的转台驱动模块，其与仿真台架连接，用于将当前仿真参数的姿态信息发送给仿真台架；所述的数据转换模块，其与用于将无人机数学模型的融合仿真数据打包发送给飞行控制器。


4.如权利要求1所述的一种无人机半实物仿真系统，其特征在于，所述的仿真台架包含三轴仿真转台、数据测量模块、无人机物理模型，所述的无人机物理模型，其安装有电机，用于根据所需仿真的无人机旋翼的结构设置电机的安装位置；所述的数据测量模块和无人机物理模型固定安装在三轴仿...

【专利技术属性】
技术研发人员：胡阳修，袁德虎，陈扬，赵长春，钱洲元，贺亮，
申请(专利权)人：上海航天控制技术研究所，
类型：发明
国别省市：上海;31