[发明专利]一种四旋翼无人飞行器半实物仿真实验系统及实验方法

说明书

技术领域

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

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。

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。

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。

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

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。