[发明专利]一种单旋翼无人飞行器三自由度半实物仿真平台及实验方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种单旋翼直升机的仿真平台。特别是涉及一种单旋翼无人飞行器三自由度半实物仿真平台及实验方法。

背景技术

单旋翼直升机是旋翼式飞行器的一种，一般装备了飞行控制系统、姿态传感器、GPS定位系统、通讯系统等，能够在无人干预的情况下自主完成飞行任务。单旋翼直升机能够实现垂直起降，在空中能够实现悬停、前飞、后飞、侧飞等飞行动作，具有很强的机动性和灵活性。因此，单旋翼直升机近年来被大量应用于军事和民用领域，受到了大批研究人员的关注。

但单旋翼直升机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，使得单旋翼直升机飞行控制器设计难度大大提升，并且实物飞行实验风险大、成本高。目前，国内外多数高校及科研机构采用纯数值仿真实验进行控制器设计，这种实验方法虽高效便捷，但其与复杂多变的实际飞行情况相差很远，使得仿真结果的可信性及控制器设计的实用性大大降低。

对于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，提高了实验的可信性及实用性，又发挥了数值仿真的优势，保证实验的高效便捷。然而，针对单旋翼无人直升机尚无一套适用性强的半实物仿真平台。因此，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单旋翼直升机的研究人员的开发工作。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种可保障实验的安全进行，既能直观地对无人飞行器飞行控制算法进行仿真，又能真实地呈现单旋翼直升机姿态信息的单旋翼直升机三自由度半实物仿真平台。

本发明所采用的技术方案是：一种单旋翼无人飞行器三自由度半实物仿真平台，包括单旋翼直升机，所述的单旋翼直升机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，所述单旋翼直升机的几何中心处设置有机载姿态传感器，所述单旋翼直升机中设置有用于控制单旋翼直升机的舵机的机载协控器，所述的机载姿态传感器和机载协控器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协控器交互信息，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。

所述的单旋翼直升机上还设置有用于接收遥控器的信号并与机载协控器相连接的接收机。

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协控器交互信息的目标机，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。

所述的虚拟场景在线显示计算机包括有用于显示单旋翼直升机飞行状况的计算机，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。

一种单旋翼无人飞行器三自由度半实物仿真平台的实验方法，依据仿真任务，利用xPC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，所搭建的模型中包含读取机载传感器数据子系统、生成单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。

所述的读取机载传感器数据子系统，包括用于获取MTi惯性导航单元的姿态信息与角速度信息，使用Baseboard Serial FIFO模块和FIFO Read Binary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。

所述的生成单旋翼无人飞行器虚拟位移子系统包括建立单旋翼无人飞行器的动力学模型，利用读取机载传感器数据子系统中获取的数据，借助单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。

所述的飞行控制算法子系统，包含飞行航迹规划和飞行控制算法两个子模块，在飞行航迹规划子模块中，仿真人员依飞行任务自行设计飞行路线，飞行控制算法子模块则结合当前的飞行器状态信息，包括真实的姿态信息与虚拟的位移信息，以及飞行任务，通过设定的控制算法生成相应的控制指令。

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到DSP机载协控器，用于产生PWM信号驱动舵机；同时，将真实的三维姿态信息与虚拟位置信息通过UDP网络发送至局域网其他计算机终端，用于虚拟场景的在线显示。