技术领域
[0001] 本
发明涉及一种
无人飞行器实时仿真方法。特别是涉及一种一种四旋翼无人飞行器半实物仿真实验系统及实验方法。
背景技术
[0002] 四旋翼无人飞行器是旋翼式飞行器的一种，采用X型
机架，其飞行动
力来源于机架终端的四个
电机带动螺旋桨所产生的升力。这种旋翼式飞行器早在1907年便设计出来并成功试飞，直到近些年，伴随着微机电技术、惯导技术、材料科学与
能源科学的长足进步，四旋翼无人飞行器才得以快速的发展，并依靠其自身极强的机动性与灵活性，被大量应用于军事和民用领域，吸引了大批科研人员。
[0003] 但四旋翼无人飞行器有极强的静不
稳定性，且在动力学上具备欠驱动、强耦合与非线性等特点，这些都增加了飞行
控制器的设计难度，因此实物飞行实验
风险大、成本高，且受周围环境制约较多。多数高校及科研机构采用纯数值仿真实验的方法模拟飞行器的飞行，这样的实验手段虽高效便捷，但由于其难于真实地展现复杂多变的实际情况，使仿真结果的
置信度大大降低。
[0004] 面对实物飞行与纯数值仿真这两种实验方法所存在的弊端与矛盾，半实物仿真方法是一种较好的解决方式。它将纯数值仿真和实物实验有机地结合在一起，既保留了实物，又发挥了数值仿真的优势。针对四旋翼无人飞行器，国内外也有多家高校与科研组织提出并搭建了半实物仿真平台。加拿大湖首大学和西安大略大学设计以万向轴座为核心的实验平台，采用商用dSPACE
硬件在环控制器及其配套
软件集成了整个仿真系统。波兰西里西亚工业大学利用球关节与立柱制作了类似的实验平台，并使用RT-CON实时软件构建了仿真系统。
[0005] 目前四旋翼无人飞行器的半实物仿真平台存在着软、硬件成本较高，系统的稳定性能与实时性能较差，实物部分保留过少，仿真效果不够直观，数据分析手段不够便捷等问题。设计一套功能完善、操作简便且价格低廉的半实物仿真系统将极大有助于四旋翼无人飞行器的研究人员的开发工作。
发明内容
[0006] 本发明所要解决的技术问题是，提供一种既能真实地呈现四旋翼无人飞行器的
姿态变化信息，又可充分发挥计算机数值仿真与虚拟
可视化场景构建优势的一种四旋翼无人飞行器半实物仿真实验系统及实验方法。
[0007] 本发明所采用的技术方案是：一种四旋翼无人飞行器半实物仿真实验系统，包括四旋翼无人飞行器，所述的四旋翼无人飞行器设置在三
自由度飞行器转台顶端的具有万向性的球关节上，所述四旋翼无人飞行器的几何中心处设置有机载姿态
传感器，所述四旋翼无人飞行器包括有用于控制飞行的机载底层控制板，所述的机载姿态传感器和机载底层控制板分别连接仿真控制器系统，所述的仿真控制器系统用于创建仿真模型、生成仿真代码和控制仿真
进程并与机载姿态传感器和机载底层控制板交互信息，还设置有与所述的仿真控制器系统相连接的用于显示虚拟的位移变化的虚拟场景在线显示计算机。
[0008] 所述的四旋翼无人飞行器包括有航模飞行控制板，分别与航模飞行控制板相连的接收机，以及
电子调速器和与电子调速器相连的无刷直流电机，其中，所述的接收机的输入端连接遥控器，输出端连接机载底层控制板中的数字
信号处理器的输入端，所述的航模飞行控制板连接机载底层控制板中的手动/自动切换芯片的输入端，电子调速器连接机载底层控制板中的手动/自动切换芯片的输出端。
[0009] 所述的仿真控制器系统包括有用于创建仿真模型、生成仿真代码和控制仿真进程的宿主计算机，用于执行仿真代码，并与机载姿态传感器和机载底层控制板交互信息的目标机，以及与目标机相连接的目标机显示器，所述的宿主计算机和目标机通过路由器组成局域网。
[0010] 所述的虚拟场景在线显示计算机包括有用于显示四旋翼无人飞行器飞行状况的计算机，以及显示谷歌地球的计算机，所述的虚拟场景在线显示计算机通过路由器与所述的仿真控制器系统中的宿主计算机和目标机共在同一个局域网内。
[0011] 一种四旋翼无人飞行器半实物仿真实验系统的实验方法，依据仿真任务，利用Matlab实时工具箱中的模
块与控件，在宿主机上运行Simulink软件，为仿真系统搭建模型
框图，所设计的模型中包含读取机载
传感器数据子系统、生成四旋翼无人飞行器虚拟位移子系统、飞行控制
算法子系统和控制指令传送与
虚拟显示接口子系统这四个子系统。
[0012] 所述的读取机载传感器数据子系统，包括用于获取Mti微型航向姿态参考系统的姿态信息与
角速度信息，使用Matlab实时工具箱中的
数据采集模块来接收和解析数据，经过对应的坐标变换及度量变换，从而得到三维欧拉角及一阶导数值，同时，将这些数据输出给其他子系统。
[0013] 所述的生成四旋翼无人飞行器虚拟位移子系统，包括建立四旋翼无人机的动力学模型，利用读取机载传感器数据子系统中获取的数据，借助四旋翼无人飞行器的动力学模型，解算出飞行器的虚拟三维线
加速度，并通过两次积分运算分别得到虚拟线速度与虚拟位移。
[0014] 所述的飞行控制算法子系统，包括飞行控制算法和飞行轨迹规划两个子模块，分别使用S函数模块编写，在飞行轨迹规划子模块中，仿真人员依控制任务自行设计飞行路线；在飞行控制算法子模块中则结合当前的飞行器状态，及飞行任务，通过一定的控制算法生成相应的控制指令，所述的飞行器状态包括真实的姿态信息与虚拟的位移信息。
[0015] 所述的控制指令传送与虚拟显示接口子系统包括将控制指令通过串口发送出去，以及将真实的姿态信息与的虚拟位移信息通过网络发送至局域网其他计算机终端。
[0016] 本发明的一种四旋翼无人飞行器半实物仿真实验系统及实验方法，可在安全可靠的实验条件下，直观地针对各种飞控算法进行仿真，既能真实地呈现四旋翼无人飞行器的姿态变化信息，又可充分发挥计算机数值仿真与虚拟可视化场景构建的优势。本发明可为四旋翼无人飞行器的空间全自由度飞行实验提供极具参考价值的测试结果，可极大地缩减研发周期，同时节约飞行实验成本。本发明所具有的优点和有益效果如下：
[0017] 1.本发明在仿真过程中，其被控对象采用实体四旋翼无人飞行器，而非纯数值形式的动力学模型，姿态传感器可实时读取到真实的飞行状态数据，仿真效果贴近直实情况。
[0018] 2.本发明结合虚拟场景技术在计算机上开发了可视化显示程序，充分利用Google Earth与FlightGear工具，便于研究人员实时地观察仿真控制效果。
[0019] 3.本发明所使用的Matalb实时工具箱的模块和组件成本较低，且一方面确保了仿真过程中软硬件极高的响应速度，即实时性，另一方面保证了系统代码的可移植性与通用性。
[0020] 4.仿真系统中的各数据终端（包括宿主计算机、目标计算机、可视化显示计算机等）均通过局域网络相连接，其数据交互快速稳定，同时，易于在原系统
基础上扩展用户终端。
[0021] 仿真和实验结果表明，本发明成本低、实时性好、控制
精度高，并且具有很好的可移植性和可扩展性。
附图说明
[0022] 图1是本发明的一种四旋翼无人飞行器半实物仿真实验系统构成框图；
[0023] 图2是本发明四旋翼无人飞行器的构成框图；
[0024] 图3a是姿态镇定飞行实验中传感器测得的
滚转角数据曲线；
[0025] 图3b是姿态镇定飞行实验中传感器测得的
俯仰角数据曲线；
[0026] 图3c是姿态镇定飞行实验中传感器测得的
偏航角数据曲线；
[0027] 图4是位移轨迹
跟踪飞行实验位移数据曲线。
[0028] 图中
[0029] 1：四旋翼无人飞行器 2：三自由度飞行器转台
[0030] 3：机载姿态传感器 4：机载底层控制板
[0031] 5：仿真控制器系统 51：宿主计算机
[0032] 52：路由器 53：目标计算机
[0033] 54：目标计算机显示器 6：虚拟场景在线显示计算机
具体实施方式
[0034] 下面结合
实施例和附图对本发明的一种四旋翼无人飞行器半实物仿真实验系统及实验方法做出详细说明。
[0035] 本发明的一种四旋翼无人飞行器半实物仿真实验系统及实验方法，为四旋翼无人飞行器构建了半实物仿真平台，使用真实的航模飞行器，并为其制作了含有万向球关节的三自由度转台，采用MTi惯导单元作为姿态传感器，采用PC/104
嵌入式计算作为飞行仿真的目标计算机控制器，制作了基于
数字信号处理器(DSP)的底层控制板，利用Matlab实时工具箱营造实时仿真环境，并结合Google Earth与FlightGear工具的虚拟显示技术开发了飞行器在线显示程序。
[0036] 如图1所示，本发明的一种四旋翼无人飞行器半实物仿真实验系统，包括[0037] 1、四旋翼无人飞行器1，本发明选用
轴距450mm加强尼龙材料的X字型机架、无刷直流电机、双叶螺旋桨、高速电子调速器、飞行控制板、Futaba遥控器、2.4GHz接收机及相应的信号
连接线，组装成了四旋翼无人飞行器本体，可直接通过遥控器与接收机的高频通信实现对四旋翼无人飞行器的手动飞行。如图2所示，本发明所述的四旋翼无人飞行器1包括有航模飞行控制板11，分别与航模飞行控制板11相连的接收机12，以及电子调速器14和与电子调速器14相连的无刷直流电机15，其中，所述的接收机12的输入端连接遥控器13，输出端连接机载底层控制板4中的数字
信号处理器41的输入端，所述的航模飞行控制板11连接机载底层控制板4中的手动/自动切换芯片42的输入端，电子调速器14连接机载底层控制板4中的手动/自动切换芯片42的输出端。
[0038] 所述的四旋翼无人飞行器1设置在三自由度飞行器转台2顶端的具有万向性的球关节上，三自由度转台的顶端安置了一个球关节，该球关节可通过螺丝与四旋翼无人飞行器紧固连接。球关节具有“万向性”，飞行器在转台上可于一定角度范围内自由地旋转，呈现出真实的三维姿态变化。
[0039] 2、机载姿态传感器3，所述四旋翼无人飞行器1的几何中心处设置有机载姿态传感器3，本发明选用MTi微型航向姿态参考系统作为机载姿态传感器，来测量四旋翼无人飞行器的姿态信息，并将其安置在飞行器的几何中心处。该单元重量轻体积功耗低，可输出三维线加速度、三维角速度及三维姿态角度数据等，且动态精度及静态精度较高，最大更新
频率可达120Hz。
[0040] 3、机载底层控制板4，所述四旋翼无人飞行器1上还设置有与该四旋翼无人飞行器的电子调速器信号线及接收机信号线相连用于控制飞行的机载底层控制板4。机载底层控制板采用型号为TI-TMS320F28335的
数字信号处理器(DSP)为主控芯片，用于接受和执行外界的控制命令，可快速生成PWM信号发送给电子调速器从而实现电机的转速控制，同时，可向外界反馈飞行器的电机转速。此外，底层控制板还用于切换飞行器的手动与自动飞行模式。
[0041] 机载姿态传感器3使用5V直流稳压电源箱供电，四旋翼无人飞行器则通过四个电子调速器由大
电流开关电源供电。
[0042] 4、仿真控制器系统5，所述的机载姿态传感器3和机载底层控制板4分别连接仿真控制器系统5，为了兼顾仿真实验的实时性与操作便捷性，本发明采用“宿主计算机——目标计算机”系统。所述的仿真控制器系统5包括有：宿主计算机51采用普通PC机，运行Simulink软件，用于创建仿真模型、生成仿真代码和控制仿真进程，目标计算机53为PC/104嵌入式计算机，运行实时
内核，用于执行仿真代码，并与机载电子设备(机载姿态传感器3和机载底层控制板4分别通过各自的数据线连接到PC/104上的两个串行端口上)及其他计算机终端交互信息，以及与目标计算机53相连接的目标计算机显示器54。
[0043] 5、虚拟场景在线显示计算机6，还设置有与所述的仿真控制器系统5相连接的用于显示虚拟的位移变化的虚拟场景在线显示计算机6。四旋翼无人飞行器在三自由度转台上只能呈现出三维的姿态变化而没有空间位移变化，利用四旋翼无人飞行器的姿态信息和飞行器的动力学模型可解算出虚拟的位移变化。虚拟场景在线显示计算机6则用于显示这些虚拟的位移变化。本发明使用Google Earth和FlightGear工具分别开发了在线显示的客户端程序，在局限网内通过UDP协议接收仿真目标计算机输出的位移数据，从而为仿真人员提供了一个更为全面的仿真飞行信息。所述的虚拟场景在线显示计算机6包括有用于显示四旋翼无人飞行器1飞行状况的计算机61，以及显示谷歌地球的计算机62。
[0044] 所述的宿主计算机51、目标计算机53和虚拟场景在线显示计算机6通过路由器52通过路由器52组成局域网，为各终端分配互异的IP地址，并设置相同的网关。在宿主计算机上运行Simulink，利用Matlab实时工具箱为创建实时内核。
[0045] 本发明可采用四旋翼无人飞行器的各种动态模型用以生成虚拟位移，也可采用各种飞行控制算法以检测控制器效果，下面以一种反
馈线性化模型和PD控制算法为例说明。
[0046] 本发明的一种四旋翼无人飞行器半实物仿真实验系统的实验方法，依据仿真任务，利用Matlab实时工具箱中的模块与控件，在宿主计算机上运行Simulink软件，为仿真系统搭建模型框图，利用Matlab实时工具箱中的模块与控件，所设计的模型中包含读取机载传感器数据子系统、生成四旋翼无人飞行器虚拟位移子系统、飞行控制算法子系统和控制指令传送与虚拟显示接口子系统这四个子系统。具体如下：
[0047] 1、读取机载传感器数据子系统，包括用于获取Mti微型航向姿态参考系统的姿态信息与角速度信息，使用Matlab实时工具箱中的数据采集模块来接收和解析数据，经过对应的坐标变换及度量变换，从而得到三维欧拉角及一阶导数值，同时，将这些数据输出给其他子系统。
[0048] 2、生成四旋翼无人飞行器虚拟位移子系统，包括建立四旋翼无人机的动力学模型，利用读取机载传感器数据子系统中获取的数据，借助四旋翼无人飞行器的动力学模型，解算出飞行器的虚拟三维线加速度，并通过两次积分运算分别得到虚拟线速度与虚拟位移。
[0049] 旋翼式飞行在空间中需要三维姿态和三维
位置共六个自由度信息来描述其状态。
[0050] 为了建立四旋翼无人机的动力学模型，首先需要定义两个直角
坐标系，分别为NED惯性坐标系I和体坐标系B。惯性坐标系I的原点固定在地面，体坐标系B的原点和无人机质心重合。{e1 e2 e3}和{xb yb zb}分别表示坐标系I和B各轴正方向上的单位向量，并且均符合右手定则。借助这两个坐标系，不仅可以描述无人机的位置，同时还可以描述无人机相对于地面的姿态。因此，四旋翼无人机的位置和姿态的描述方式，可等价于三维空间中刚体的位置姿态描述方式。四旋翼无人机的六个自由度分别为3个欧拉角和3个位置，3个欧拉角分别为滚转角φ、俯仰角θ、偏航角ψ，3个位置分别为x、y、z。定义a=(φ,θ,ψ)为无人机
机体的欧拉角向量，定义p=(x,y,z)为惯性坐标系I的位置向量。
[0051] 将体坐标系B中的无人机视为刚性物体，
质量为
转动惯量为当受到 的外力和 的外部力矩时，根据
牛顿-欧
拉定理得到动力学模型如下
[0052]
[0053] 其中， 为无人机的线速度，定义在体坐标系中，为无人机的角速度，定义在体坐标系中。
[0054] 在惯性坐标系中，根据牛顿力学定律，式(1)中第一个表达式将重力与其他受力进行分离，并考虑体坐标系B和惯性坐标系I的转换关系，可得出如下表达式：
[0055]
[0056] 在上述等式中，g表示
重力加速度， 表示体坐标系下，除重力以外其他力的合力向量，R为体坐标系到惯性坐标系的转换矩阵，将sin(·)和cos(·)分别简写为s和c，其表达式如下：
[0057]
[0058] 四旋翼无人机的动力学模型表达式可简化为如下形式：
[0059]-1 -1 T
[0060] 其中，Φ(a)为欧拉矩阵，其逆矩阵为Ψ(a)=Φ (a)，M(a)=Ψ (a)JΨ(a)为惯性矩阵， 为
科里奥利力与
向心力矩阵，它们的表达式如下：
[0061]
[0062]
[0063] 由于四旋翼无人机是一个欠驱动系统，它是靠四个控制输入来对六个自由度进行T控制，四个电机的转速ω=(ω1,ω2,ω3,ω4) 是直接控制输入，四个电机提供的总升力u和由电机转速差得到的力矩[τφ τθ τψ]是间接控制输入。式（7）给出了直接控制输入与间接控制输入直接的转换关系。
[0064]
[0065] 其中，l为四旋翼无人机的旋翼到质心的距离，ρ是四旋翼无人机电机的升力系数，κ是四旋翼无人机电机的转矩系数。
[0066] 对简化的四旋翼无人机动力学模型的第二个表达式进行反馈线性化，得到：
[0067]
[0068] 其中， 是一个新的控制输入，那么，进一步得到系统的控制输入为接着，将式（8）代入到式（4），展开后就得到如下的表达式：
[0069]
[0070] 3、所述的飞行控制算法子系统，包括飞行控制算法和飞行轨迹规划两个子模块，分别使用S函数模块编写，在飞行轨迹规划子模块中，仿真人员依控制任务自行设计飞行路线；在飞行控制算法子模块中则结合当前的飞行器状态，及飞行任务，通过一定的控制算法生成相应的控制指令，所述的飞行器状态包括真实的姿态信息与虚拟的位移信息。
[0071] 观察式（9）的结构可知，四旋翼无人机的动力学模型可分解为两个子系统。前三个表达式表示的是具有平动特性的位置子系统，为 后三个表达式表示的是具有转动特性的姿态子系统，为 显然，位置子系统耦合了控制输入u和姿态信息，而姿态子系统就相对独立。从控制的角度来说，姿态子系统可独立控制，而实现位置子系统的控制则需要借助姿态子系统的控制。通过分析模型结构得到结论，在控制中可以采用非线性内外环的控制结构，我们把位置子系统定义为“外环”，把姿态子系统定义为“内环”，分别对内外环子系统进行控制器设计。
[0072] 分别定义pd， ad， 为期望位置、期望速度、期望姿态角和期望角速度。那么，就可以用 来表示位置和速度跟踪误差，用来表示姿态角和角速度跟踪误差。设计控制算法的目标就是通
过设计相应的控制输入 使得跟踪误差E和e渐近趋近于0，四旋翼无人机则实现了轨迹跟踪的目的。
[0073] 从上面的分析已知，式（9）的系统模型可分解为两个子系统，根据当前的控制目标，将其转化为跟踪误差的形式，如下所示：
[0074]
[0075] 其中， 表达式如下所示：
[0076]
[0077] 在式（10）的第一个表达式中引入一个虚拟控制输入量q=(qz,qy,qz)，则有：
[0078]
[0079] 式（12）与原动力学模型式（9）具有相似的内外环耦合情况。也就是说，转动误差e和输入转矩 独立控制着内环跟踪误差系统 外环跟踪误差系统E=fE+fΔ则耦合了内环误差的信息。其中，虚拟控制输入量q的引入，可将耦合项 从外环误差方程中分离出来，这样，外环误差系统就明显地被分解为fE，fΔ两个部分。在外环误差系统中，平动误差E和虚拟输入量q独立控制着fE，fΔ是将两个子系统耦合在一起的非线性耦合项。
[0080] 观察式（9）中 表达式的结构，这里可将虚拟控制输入量q定义为如下形式：
[0081]
[0082] 其中，函数 连续可导。式（13）展开如下：
[0083]
[0084] 其中，通过
闭环系统的外环控制器可计算得到q，根据式（14）可解算出期望姿态角φd、θd和螺旋桨总推力u，表达式如下：
[0085]
[0086] 通过比较式（9）的外环平动子系统和式（14），若要让虚拟控制输入量q(u,ad)趋于 只需保证(φ,θ,ψ)无差地跟踪给定的(φd,θd,ψd)即可。对应的，平动误差E、转动误差e以及非线性耦合项fΔ都会趋近于0。这样，不考虑非线性耦合项的影响，四旋翼无人机的动力学模型可视为姿态和位置两个线性子系统，可分别为它们设计PD控制器来实现最终控制目标，设计内外环PD控制器如下所示：
[0087]
[0088] 其中，系数矩阵KE、Ke分别包含了内外环可调的比例系数和微分系数，具体如下所示：
[0089]
[0090]
[0091] 将式（16）的控制输入代入式（10）中，可得到四旋翼无人机的闭环系统动力学方程，如下所示：
[0092]
[0093] 其中，矩阵AE=I1-I2KE和Ae=I1-I2Ke都满足赫尔维兹矩阵的条件。尽管位置子系统中有扰动项Δ(E,e)存在，但是闭环系统仍然是全局渐近稳定的。
[0094] 4、控制指令传送与虚拟显示接口子系统包括将控制指令通过串口发送出去，以及将真实的姿态信息与的虚拟位移信息通过网络发送至局域网其他计算机终端。
[0095] 本发明的一种四旋翼无人飞行器半实物仿真实验系统及实验方法的工作过程如下。
[0096] 半实物实时仿真步骤如下：
[0097] 1.开启宿主计算机、目标计算机、虚拟场景在线显示计算机。在宿主计算机上运行Simulink软件，打开仿真模型窗口；确认目标计算机已载入实时内核处于准备就绪状态；虚拟场景在线显示计算机上打开Google Earth和FlightGear客户端。通过ping指令确认各计算机终端的网络连接正常。
[0098] 2.遥控器上电，将
油门通道
锁定，将油门杆拉至最低位置，将手/自切换通道拨至手动档位。给电调通电，等待电调鸣声就绪后，解除油门锁定，轻推油门杆测试四旋翼无人飞行器的状态。确认四旋翼无人飞行器正常后，将油门杆拉至最低位置，锁定油门通道，将手/自动通道拨至自动档位，准备实验。
[0099] 3.在宿主计算机上将仿真模型编译、链接生成可执行代码，并下载到目标计算机。目标计算机给出设备就绪信息后，在宿主计算机上执行“运行”指令，开始仿真。此时四旋翼无人飞行器的四个螺旋桨会高速旋转起来，并依照控制器算法将四旋翼无人飞行器维持在特定的状态下。目标计算机显示器会实时显示仿真飞行数据，虚拟场景在线显示计算机上的客户端程序会在线显示飞行器的位移状态。
[0100] 4.在宿主计算机上执行“终止”指令，结束仿真飞行，螺旋桨停止转动，目标计算机停止信息更新，并提示正在保存仿真数据。待保存结束后，在宿主计算机上执行“读取”指令，将仿真数据提取到宿主计算机上以供离线分析研究使用。
[0101] 5.断开电调电源连接，关闭遥控器。仿真结束。
[0102] 实验结果如下：
[0103] 使用PD控制算法分别进行姿态镇定飞行及位移轨迹跟踪飞行实验，其中，姿态镇定实验中滚转角(Roll)和俯仰角(Pitch)设定为0度，偏航角(Yaw)设定为80度；位移轨迹设定为直径10米的圆形。
[0104] 图3a、图3b、图3c显示了姿态镇定飞行实验中传感器测得的滚转角、俯仰角和偏航角，图4显示了位移轨迹跟踪飞行实验中虚拟位移的变化曲线。可以从中看出，控制算法在姿态的镇定及轨迹的跟踪实验中都取得了很好的控制效果。
