一种无人机虚拟飞行仿真方法及系统技术方案

本发明专利技术公开了一种无人机虚拟飞行仿真方法及系统，应用于无人机飞行仿真技术领域，开放式的机器人系统下，gazebo仿真系统通过载入特定环境的地图提供逼真的仿真虚拟环境，RViz数据可视化软件能以画面的形式实时展现各个话题数据，便于使用者调试开发，飞行控制系统作为该无人机虚拟飞行仿真系统的核心，以模块化的形式组成整个无人机控制系统，并为无人机的控制提供算法支持。整个无人机虚拟飞行仿真系统在硬件系统和软件系统的配合下，使用者能够通过便携式驾驶杆实时模拟操作无人机，该无人机虚拟飞行仿真系统不仅能够提供逼真的仿真效果，降低无人机的真实飞行实验安全风险，并且相比真实飞行实验成本更低。并且相比真实飞行实验成本更低。并且相比真实飞行实验成本更低。

【技术实现步骤摘要】
一种无人机虚拟飞行仿真方法及系统


[0001]本专利技术涉及无人机飞行
，特别涉及一种无人机虚拟飞行仿真方法及系统。

技术介绍

[0002]伴随着无人机技术的快速发展，以及无人机在各行各业的应用部署，越来越多的研究把注意力放在如何提高无人机系统的可靠性、易用性并减少开发无人机的各项成本。虽然无人机既能够实现安全高效的和悬停，又能够实现高速的续航，但无人机的真实飞行实验安全风险高且成本高昂。因此，针对无人机的飞行仿真系统的设计开发显得尤为重要。
[0003]传统的无人机系统较为封闭，系统中的软件和硬件系统存在高度耦合，显然这对无人机系统的开发带来了巨大的困难。但是在开放式的机器人系统下，无人机系统的开发趋向于模块化和标准化，无人机系统由各个子模块组成，各个子模块之间通过消息体、服务等技术进行通信，这样开发的无人机系统具有周期短、易扩展以及维护简单的特点，因此，有必要设计一种开放式的无人机虚拟飞行仿真系统。

技术实现思路

[0004]针对现有技术中存在的问题，本专利技术提供一种无人机虚拟飞行仿真方法及系统。该系统不仅能够提供逼真的仿真效果，降低无人机的真实飞行实验安全风险，并且相比真实飞行实验成本更低。另一方面，该无人机虚拟飞行仿真系统的各个模块之间耦合度低，功能复用性高，易于后期的新功能的开发。
[0005]本专利技术是通过以下技术方案来实现：
[0006]一种无人机虚拟飞行仿真方法，包括以下步骤：
[0007]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；
[0008]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；
[0009]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；
[0010]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；
[0011]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；
[0012]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。
[0013]优选的，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。
[0014]优选的，步骤2所述的属性参数包括碰撞属性和惯性属性；
[0015]所述干扰因素包括环境风、电磁以及碰撞物。
[0016]优选的，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。
[0017]优选的，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。
[0018]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，
[0019]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；
[0020]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；
[0021]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；
[0022]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；
[0023]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。
[0024]优选的，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；
[0025]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。
[0026]优选的，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；
[0027]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。
[0028]优选的，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。
[0029]一种无人机虚拟飞行仿真方法的系统，包括，
[0030]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；
[0031]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；
[0032]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；
[0033]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；
[0034]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；
[0035]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。
[0036]与现有技术相比，本专利技术具有以下有益的技术效果：
[0037]本专利技术提供的一种无人机虚拟飞行仿真方法，开放式的机器人系统下，gazebo模拟器通过载入特定环境的地图提供逼真的仿真虚拟环境，RViz数据可视化软件能以画面的形式实时展现各个话题数据，便于使用者调试开发，飞行控制软件系统作为该无人机虚拟飞行仿真系统的核心，以模块化的形式组成整个无人机控制系统，并为无人机的控制提供算法支持。整个无人机虚拟飞行仿真系统在硬件系统和软件系统的配合下，使用者能够通过便携式驾驶杆实时模拟操作无人机，并通过gazebo机器人模拟器实时看到无人机的形态以及通过RViz数据可视化软件观察各个话题数据的本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
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...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘贞报，邹旭，赵闻，张超，赵鹏，刘昕，
申请(专利权)人：西北工业大学，
类型：发明
国别省市：