一种四旋翼无人机数字孪生系统技术方案

本发明专利技术公开了一种四旋翼无人机数字孪生系统，该系统由三维模型与模型工具模块、数字模拟模块、全局评价与迭代优化模块、智能增长模块、物理通信接口模块、系统工具模块六大部分组成。其中，三维模型与模型工具模块与数字模拟模块解决无人机自身模拟不足和过程仿真模拟不足两个问题；全局评价与迭代优化模块解决周期跟踪不足问题；智能增长模块解决多无人机自主协作智能不足问题；物理通信接口模块提供数字孪生系统与实际物理系统的连接接口；系统工具模块管理全部功能模块，起到系统集成作用。本发明专利技术系统将模型、环境、特性、通信、控制、智能学习、智能进化融合一起，完整真实模拟四旋翼无人机生命周期，提供寿命分析和维修指导。

【技术实现步骤摘要】
一种四旋翼无人机数字孪生系统
本专利技术涉及数字孪生领域，具体涉及一种四旋翼无人机数字孪生系统。
技术介绍
近年来，随着材料技术、计算机控制技术、芯片技术的高速发展，多种技术融合的四旋翼无人机得到快速的发展。各种技术的融合发展大大提高四旋翼无人机的性能和智能化程度。其小巧灵活、控制相对容易等特性使得其广泛运用在各个领域。但是目前，针对四旋翼无人机的运用，存在以下问题：1.在仿真设计阶段，对四旋翼无人机自身模型特性和传感器特性模拟不够、仿真不足，造成仿真过后的实际四旋翼无人机不确定故障多、调试周期长。2.在仿真设计阶段，对四旋翼无人机的运行过程的控制、通信过程、交互过程等模拟不足，造成实际效果与仿真差别大、算法调试困难。3.四旋翼无人机针对某个领域的适用性差、智能性不足，缺乏无人机智能训练平台，造成实际面对突发状况时，无人机的不确定反应、不可靠执行。4.四旋翼无人机的周期跟踪不足，缺乏实时观测无人机的运行状况和寿命分析，不能及时发现损坏的元器件，造成整机的性能下降，维修成本高。5.多机协作的智能性不足，缺乏本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种四旋翼无人机数字孪生系统，其特征在于，包括三维模型与模型工具模块、数字模拟模块、全局评价与迭代优化模块、智能增长模块、物理通信接口模块以及系统工具模块，其中：/n所述三维模型与模型工具模块用于实现四旋翼无人机和运行环境的真实模拟，建立四旋翼无人机模型、环境模型和场景地图，并提供模型配置工具；/n所述数字模拟模块基于所构建的场景地图，对四旋翼无人机模型的整个系统及运行过程进行全局模拟并分别建立不同的特性脚本；/n所述全局评价与迭代优化模块用于对无人机数字孪生系统与实际无人机系统的一致性评估，并不断优化无人机数字孪生系统的参数，最终实现无人机数字孪生系统与实际无人机系统的一致融合；/n所述...

【技术特征摘要】
1.一种四旋翼无人机数字孪生系统，其特征在于，包括三维模型与模型工具模块、数字模拟模块、全局评价与迭代优化模块、智能增长模块、物理通信接口模块以及系统工具模块，其中：
所述三维模型与模型工具模块用于实现四旋翼无人机和运行环境的真实模拟，建立四旋翼无人机模型、环境模型和场景地图，并提供模型配置工具；
所述数字模拟模块基于所构建的场景地图，对四旋翼无人机模型的整个系统及运行过程进行全局模拟并分别建立不同的特性脚本；
所述全局评价与迭代优化模块用于对无人机数字孪生系统与实际无人机系统的一致性评估，并不断优化无人机数字孪生系统的参数，最终实现无人机数字孪生系统与实际无人机系统的一致融合；
所述智能增长模块用于从智能学习和智能进化两个方面提升四旋翼无人机模型的自主智能和协作智能；其中智能学习是针对单个四旋翼无人机模型，进行包括物理学规律和机理学习、智能行为学习、自主控制学习、数据分析与推断学习、感知交互学习和多机器人协作控制学习；智能进化是针对单个四旋翼无人机模型和多个四旋翼无人机模型，进行单个无人机内部协作进化和多无人机自主协作进化；
所述物理通信接口模块用于实现无人机数字孪生系统与实际无人机系统的连接；
所述系统工具模块用于提供系统维护、支持、诊断功能，实现系统的可维护性与可移植性。


2.根据权利要求1所述的四旋翼无人机数字孪生系统，其特征在于，所述三维模型与模型工具模块包括四旋翼无人机模型单元、环境模型单元、场景地图单元、模型配置工具单元，其中：
四旋翼无人机模型单元用于建立四旋翼无人机模型以及四旋翼无人机模型库；一个四旋翼无人机模型包括机械结构模型和电气设备模型两部分，这两部分均包括多个子模型；其中机械结构模型包括螺旋桨模型、机身模型、机臂模型、电机模型、连接组件模型和脚架模型；电气设备模型包括传感器模型和电气元件模型；
所述环境模型单元用于建立四旋翼无人机的环境模型以及环境模型库，根据模型的结构特性，基于几何建模、细分曲面建模、流体建模方法构建模型基础部分；根据模型材质特性，在选择对应材质的基础上，调整透明度、光照属性实现复杂模型材质构建；调整模型轮廓，确定各类模型的碰撞检测区域；根据模型外观要求，赋予对应贴图；根据模型的实际表现特性要求，利用材质和贴图动态切换方法实现如湖水流动、波纹产生和消失的自然属性行为；将构建的各个环境模型保存在环境模型库中；
所述场景地图单元用于根据实际无人机应用场景要求，将四旋翼无人机模型和环境模型进行结合，并利用模型配置工具构建场景地图；根据所构建场景的环境特点，从环境模型库中选择各类环境模型，根据场景尺寸要求利用模型配置工具调整每个模型尺寸；根据所构建场景的无人机任务要求，从四旋翼无人机模型库中选择四旋翼无人机模型并利用模型配置工具调整尺寸；根据所构建场景的布局，通过模型配置工具对各个模型进行配置和摆放；根据所构建场景的光线要求，选择对应的光照类型如点光源、区域光源，完成场景地图的构建；将构建的场景地图保存在基础地图库中，并根据各类场景地图的环境特点与无人机任务要求，设计环境配置接口，以实现大型多场景地图快速构建；
所述模型配置工具单元用于为四旋翼无人机模型的构建提供模型配置工具。


3.根据权利要求2所述的四旋翼无人机数字孪生系统，其特征在于，所述建立四旋翼无人机模型以及四旋翼无人机模型库，包括：
四旋翼无人机模型中的结构模型或者电气设备模型中任意一个子模型的建立过程包括：
采用点、线、面的几何建模方法对子模型中有规则部分进行构建；采用几何建模与细分曲面建模相结合方法实现对模型不规则部分构建；根据各类子模型材质特性要求，选择不同材质实现对模型外观材质构建；根据各类模型外观显示要求，赋予对应的贴图；
在上述结构模型和电气设备模型建立完成的基础上，四旋翼无人机模型整机的构建过程如下：
根据无人机整机的尺寸要求对各部分子模型的尺寸进行调整；从无人机底部到顶部的顺序对各个机械结构模型进行组合：脚架模型-->机身模型-->机臂模型—>电机模型—>螺旋桨模型；根据实际无人机功能或者执行任务要求，将传感器模型和电气元件模型安装在对应位置；根据实际无人机各部分连接特点，选择不同的连接组件模型将各部分子模型进行连接，完成四旋翼无人机模型的构建；将构建的单个子模型与四旋翼无人机模型保存在四旋翼无人机模型库中。


4.根据权利要求1所述的四旋翼无人机数字孪生系统，其特征在于，所述数字模拟模块进行全局模拟包括模型特性模拟、交互模拟、通信模拟、控制器模拟、全局调度模拟，其中：
模型特性模拟用于实现四旋翼无人机模型自身特性模拟与环境模型特性模拟，包括无人机关节、机身、电机、螺旋桨、电源、电调、脚架、连接结构模拟和环境的灯光、大气、动物行为、碰撞、传感器模拟；
交互模拟用于实现四旋翼无人机模型的人机交互模拟和无人机之间的交互模拟，其中人机交互包括VR体感交互、视觉交互、听觉交互、触觉交互、触屏/按键交互；无人机之间交互包括状态交互、逻辑交互、行为交互、交互安全、主被动交互；
通信模拟用于实现对四旋翼无人机模型通信过程的模拟，包括通信的方式、介质、故障、信号模拟与传感器通信、多机通信模拟；
控制器模拟用于实现对四旋翼无人机模型控制过程的模拟，包括无人机行为、结构、逻辑模拟与紧急事件模拟；
全局调度模拟用于实现系统级的调度模拟，包括传感器调度模拟、多机调度模...

【专利技术属性】
技术研发人员：不公告发明人，
申请(专利权)人：广东工业大学，
类型：发明
国别省市：广东;44