CN111959819A - 一种多旋翼无人机算法验证与调参系统及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多旋翼无人机算法验证与调参系统，包括：相互通信连接的实验平台与计算机；所述实验平台包括：底座，竖直设置在所述底座上的一端设有万向节的支撑杆，中部与万向节连接的转台，所述转台上放置无人机机体，在高度环调参时所述无人机机体两侧的所述底座上各竖有一根定高杆，两根所述定高杆顶端通过限高件连接；计算机，用于设置无人机机体基本参数、模拟环境参数，监控无人机机体状态，根据控制方法控制无人机机体运动。本发明可在姿态、定高两种飞行模式下，分别验证姿态和位置控制方案的正确性。

Description

一种多旋翼无人机算法验证与调参系统及其使用方法

技术领域

本发明涉及无人机实验装置技术领域，具体涉及一种多旋翼无人机算法验证与调参系统及其使用方法。

背景技术

随着微机电、微惯导及飞行控制等技术的蓬勃发展，多旋翼无人机得到了迅猛的发展。由于多旋翼无人机具有结构简单、机动性超强和飞行方式独特等特点，使得其不仅能够满足传统无人机在军民领域的应用需求，还能胜任更具挑战性的飞行任务环境。但随着任务需求的多样化，对飞行控制系统的要求越来越高。多旋翼无人机的结构多种多样，它作为一个多输入多输出、强耦合的非线性系统，如何将设计的先进控制方法在适合的验证平台上进行验证成为科研人员所研究的重点问题之一。

为对无人机控制器参数进行整定并验证所设计控制方法的性能，国内外研究人员设计了相关的半实物仿真平台。如公开号为CN102849226B的中国专利，该发明公开了一种基于多旋翼飞行器的科研教学装置，该方法地面控制计算机采用高级计算机语言来实现传感器信息融合和飞行器控制算法，在地面计算机的控制下多旋翼飞行器可以实现悬停、升降、转向、前后左右飞行等动作。

如公开号为CN106325103A的中国专利，该发明公开了一种四旋翼无人飞行器飞行控制系统半物理仿真试验系统。该方法转台控制器用于控制转台按照动力学仿真计算机所传输的俯仰角、横滚角与偏航角等姿态角进行转动，该系统可以对整个试验系统进行监控，显示试验状态及试验效果的功能。

又如公开号为CN108415442A的中国专利，该发明公开了一种无人机调节测试装置。该方法提升机构用于调节竖直方向高度，飞控板接收外部测试系统信号，实现马达模组在万向节上的姿态调整。该装置可以通过对比分析预设飞行姿态和实际飞行姿态的差异，实现对无人机的飞行控制校准与补偿。

上述三个专利虽在无人机飞控算法性能验证有效果，但缺少环境风和高海拔等特定环境下多旋翼无人机的飞行模拟，且存在无人机机体模型参数相对固定，及无法对飞控高度控制进行简易有效设计验证等问题；同时它们只针对指定型号的旋翼飞行器，缺少一个通用的调参平台，这些存在的缺点会阻碍研究人员设计出性能更优的飞控算法。因此，若多旋翼无人机半实物仿真平台的机体模型参数可变，能模拟实际飞行工况，并具备控制器参数整定及控制算法验证等功能，这将为研究人员的飞控算法设计工作提供便利并为控制算法性能验证结果提供重要依据。

发明内容

本发明提供了一种多旋翼无人机算法验证与调参系统及其使用方法，以解决现有技术中适用范围小，缺少环境风和高海拔等特定环境下多旋翼无人机的飞行模拟，且存在无人机机体模型参数相对固定，及无法对飞控高度控制进行简易有效设计验证的问题。

本发明提供了一种多旋翼无人机算法验证与调参系统，包括：相互通信连接的实验平台与计算机；

所述实验平台包括：底座，竖直设置在所述底座上的一端设有万向节的支撑杆，中部与万向节连接的转台，所述转台上放置无人机机体，在高度环调参时所述无人机机体两侧的所述底座上各竖有一根定高杆，两根所述定高杆顶端通过限高件连接；

所述无人机机体包括机身主体，从所述机身主体向四周延伸的机臂，所述机臂末端设有无刷电机，所述无刷电机驱动螺旋桨转动，所述机身主体上设有飞控板、配重安装孔；

所述飞控板包括：传感器，用于检测无人机机体运动过程中的加速度、角速度、方位角、对地高度；主控器，用于根据传感器采集的数据通过数据融合计算无人机相关数据信息；在所述机身主体四周和底部设置的超声波收发器，用于为近地面高度环控制和避障算法设计提供所述无人机机体与各方向上目标物的距离；通信模块，用于所述无人机机体与所述计算机之间进行通信；

所述计算机，用于设置无人机机体基本参数、模拟环境参数，监控无人机机体状态，根据控制方法控制无人机机体运动。

进一步地，所述机身主体与所述机臂可拆卸的安装，所述机身主体四周设有六组供机翼安装的安装孔，实现四翼无人机和六翼无人机的变换。

进一步地，所述机臂可伸缩，实现轴距可调。

进一步地，所述传感器为十轴传感器。

本发明还提供了上述多旋翼无人机算法验证与调参系统的使用方法，包括如下步骤：

步骤1：模式选择，当选择测试模式时，将飞控和遥控器连接至计算机；当选择非测试模式时，将遥控器连接至计算机；

步骤2：配置无人机机体参数，计算机根据配置参数估算生成无人机模型及相应的模型参数；

步骤3：建立环境和工况模型，根据模拟环境和工况获取无人机飞行状态参数；

步骤4：生成仿真工程文件，解锁遥控器，通过遥控器对设置的无人机飞行环境和工况下的控制器算法进行仿真验证或者进行飞行操控训练。

进一步地，所述配置无人机机体参数包括：配置无人机机型、轴距、重量、动力系统。

进一步地，所述环境和工况模型包括：环境风模型、海拔高模型、地效模型、执行器故障模型。

进一步地，建立环境风模型的方法为：根据所模拟的地区的风速、风向特性，采用数值法，通过滤波转化后，建立变化风场中的Dryden大气紊流模型；

建立海拔高模型的方法为：获取所模拟的地区的不同海拔下的空气密度对应的飞行器升力，将飞行器升力形成的PWM非线性升力曲线进行线性化处理，获得作为海拔高模型的线性模型；

建立地效模型的方法为：利用非结构网络技术生成无人机含地面效应的空间网格，在多旋翼旋转平面建立滑流边界条件，通过求解Euler方程对无人机在距离地面不同高度下的非定常气动力，对非定常气动力进行数值模拟建立地效模型；

建立执行器故障模型的方法为：建立两种故障模型，一种是机械部件故障，使执行器的运动参数、重心和机体坐标系发生改变；另一种是执行器的供电电压设置为欠压状态，输入操作信号无法对执行器进行准确驱动。

本发明的有益效果：

本发明针对多旋翼无人机在研制过程中缺少适应多种环境下飞行控制系统地面实验平台，将底座、转台、定高杆等机构与计算机软件、飞控算法有机融合，与现有技术相比，本发明具有以下优点：

(1)可在姿态、定高两种飞行模式下，分别验证姿态和位置控制方案的正确性；

(2)可适应多种规格大小的旋翼无人机，并按需对平台上的多旋翼无人机调整并重新估算飞行器实际模型参数；

(3)可实时检验多旋翼控制系统的性能，并于对控制器参数进行整定；

(4)可以模拟环境风、高海拔、地效和执行器故障下无人机的动态性能仿真，以及对特定飞行环境和飞行工况下的控制器算法相应验证研究；

(5)计算机可通过输入选用的硬件参数，验证方案的合理性，同时配备的API接口可应用新的控制方法。

附图说明

通过参考附图会更加清楚的理解本发明的特征和优点，附图是示意性的而不应理解为对本发明进行任何限制，在附图中：

图1是本发明实施例的工作原理图；

图2是本发明实施例的计算机应用软件设计流程图；

图3是本发明实施例的四旋翼无人机平台结构三维图；

图4是本发明实施例的四旋翼无人机平台结构组成图；

图5是本发明实施例的四旋翼无人机平台结构俯视图；

图6是本发明实施例的四旋翼无人机电机和桨叶正视图；

图7是本发明实施例的四旋翼无人机平台机体结构图；

图8是本发明实施例的四旋翼无人机平台定高结构图；

图9是本发明实施例的四旋翼无人机平台转台结构图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，本发明一种多旋翼无人机算法验证与调参系统，包括：实验平台与计算机，两个部分之间采用WiFi或蓝牙进行无线通信；

如图3-9所示，实验平台包括：底座1，竖直设置在底座1上的一端设有万向节的支撑杆10，中部与万向节连接的转台2，用以模拟俯仰、横滚、偏航三自由度的飞行状态，转台2上放置无人机机体4，在高度环调参时无人机机体4两侧的底座1上各设有一个供定高杆7竖直插入的安装槽孔7-1，两根定高杆7顶端通过橡皮绳等限高件连接，防止定高失败使无人机从平台飞出而损伤，而在姿态调参时无需安装定高杆7。

无人机机体4包括采用碳纤材料制成的机身主体，从机身主体向四周延伸的机臂4-1，机臂4-1可以伸缩，实现轴距在200-580mm之间可调，机臂4-1末端设有无刷电机5，无刷电机5驱动螺旋桨6转动，机身主体上设有飞控板8、配重安装孔9。

如图7所示，机身主体由机体上板4-2、机体下板4-23拼接构成而成，机体上板4-2、机体下板4-23非相互贴合设置，之间有半封闭空间作为电池仓3，电池仓3内通过魔术贴或者扎带固定有电池，为电子器件供电，机体上板4-2和机体下板4-23上均预留有供机臂4-1安装的六组安装孔4-4，实现四翼和六翼之间的转换。

飞控板8通过3M胶案子固定在机体上板4-2上方中心位置，飞控板8包括：十轴传感器，用于检测无人机机体4运动过程中的加速度、角速度、方位角、对地高度；STM32微控制器，用于根据传感器采集的数据通过数据融合计算无人机相关数据信息；在机身主体四周和底部设置的超声波收发器，用于为近地面高度环控制和避障算法设计提供无人机机体4与各方向上目标物的距离；通信模块，用于无人机机体4与计算机之间进行通信；

计算机，用于设置无人机机体4基本参数、模拟环境参数，监控无人机机体4状态，根据控制方法控制无人机机体4运动。计算机主要功能有：(1)场景模拟，并对不同工况下的飞行控制系统设计进行仿真；(2)估算多旋翼无人机模型参数；(3)监控多旋翼无人机飞行过程中的飞行状况，并对各项信息进行记录与分析；(4)提供API接口应用新的控制方法，发送指令信号对控制器参数进行整定；(5)为无人机操控人员提供模拟训练

如图2所示，本发明一种多旋翼无人机算法验证与调参系统的使用方法如下：

步骤1：模式选择，当选择测试模式时，将飞控和遥控器连接至计算机；当选择非测试模式时，将遥控器连接至计算机；

步骤2：配置无人机机型、轴距、重量、动力系统的参数，计算机根据配置参数估算生成无人机模型及相应的模型参数；

步骤3：设置无人机飞行环境和工况，包括设置：环境风、海拔高、地效、执行器故障；

建立环境风模型的方法为：根据所模拟的地区的风速、风向特性，采用数值法，通过滤波转化后，建立变化风场中的Dryden大气紊流模型，通过上述方法在计算机中对变化风场进行建模，输出此时受变化风场影响的无人机的飞行速度、迎角和侧滑角；

建立海拔高模型的方法为：获取所模拟的地区的不同海拔下的空气密度对应的飞行器升力，将飞行器升力形成的PWM非线性升力曲线进行线性化处理，获得作为海拔高模型的线性模型；根据获得的模型特征可以获取当前海拔高度飞行场景下无人机用于姿态控制的转速裕量，减小电机转速达到饱和的时间，调整无人机相应的通道限幅器等；

建立地效模型的方法为：利用非结构网络技术生成无人机含地面效应的空间网格，在多旋翼旋转平面建立滑流边界条件，通过求解Euler方程对无人机在距离地面不同高度下的非定常气动力，对非定常气动力进行数值模拟建立地效模型；根据获得的气动力模型，获取不同高度下地效模型下无人机的迎角和相对运动高度等；

建立执行器故障模型的方法为：建立两种故障模型，一种是机械部件故障，使执行器的运动参数、重心和机体坐标系发生改变；另一种是执行器的供电电压设置为欠压状态，输入操作信号无法对执行器进行准确驱动；

步骤4：生成仿真工程文件，解锁遥控器，通过遥控器对设置的无人机飞行环境和工况下的控制器算法进行仿真验证或者进行飞行操控训练。

虽然结合附图描述了本发明的实施例，但是本领域技术人员可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下做出各种修改和变型，这样的修改和变型均落入由所附权利要求所限定的范围之内。

Claims (8)

1.一种多旋翼无人机算法验证与调参系统，其特征在于，包括：相互通信连接的实验平台与计算机；

所述实验平台包括：底座，竖直设置在所述底座上的一端设有万向节的支撑杆，中部与万向节连接的转台，所述转台上放置无人机机体，在高度环调参时所述无人机机体两侧的所述底座上各竖有一根定高杆，两根所述定高杆顶端通过限高件连接；

所述无人机机体包括机身主体，从所述机身主体向四周延伸的机臂，所述机臂末端设有无刷电机，所述无刷电机驱动螺旋桨转动，所述机身主体上设有飞控板、配重安装孔；

所述飞控板包括：传感器，用于检测无人机机体运动过程中的加速度、角速度、方位角、对地高度；主控器，用于根据传感器采集的数据通过数据融合计算无人机相关数据信息；在所述机身主体四周和底部设置的超声波收发器，用于为近地面高度环控制和避障算法设计提供所述无人机机体与各方向上目标物的距离；通信模块，用于所述无人机机体与所述计算机之间进行通信；

所述计算机，用于设置无人机机体基本参数、模拟环境参数，监控无人机机体状态，根据控制方法控制无人机机体运动。

2.如权利要求1所述的多旋翼无人机算法验证与调参系统，其特征在于，所述机身主体与所述机臂可拆卸的安装，所述机身主体四周设有六组供机翼安装的安装孔，实现四翼无人机和六翼无人机的变换。

3.如权利要求1所述的多旋翼无人机算法验证与调参系统，其特征在于，所述机臂可伸缩，实现轴距可调。

4.如权利要求1所述的多旋翼无人机算法验证与调参系统，其特征在于，所述传感器为十轴传感器。

5.一种多旋翼无人机算法验证与调参系统的使用方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：模式选择，当选择测试模式时，将飞控和遥控器连接至计算机；当选择非测试模式时，将遥控器连接至计算机；

步骤2：配置无人机机体参数，计算机根据配置参数估算生成无人机模型及相应的模型参数；

步骤3：建立环境和工况模型，根据模拟环境和工况获取无人机飞行状态参数；

步骤4：生成仿真工程文件，解锁遥控器，通过遥控器对设置的无人机飞行环境和工况下的控制器算法进行仿真验证或者进行飞行操控训练。

6.如权利要求5所述的多旋翼无人机算法验证与调参系统的使用方法，其特征在于，所述配置无人机机体参数包括：配置无人机机型、轴距、重量、动力系统。

7.如权利要求5或6所述的多旋翼无人机算法验证与调参系统的使用方法，其特征在于，所述环境和工况模型包括：环境风模型、海拔高模型、地效模型、执行器故障模型。

8.如权利要求7所述的多旋翼无人机算法验证与调参系统的使用方法，其特征在于，建立环境风模型的方法为：根据所模拟的地区的风速、风向特性，采用数值法，通过滤波转化后，建立变化风场中的Dryden大气紊流模型；

建立海拔高模型的方法为：获取所模拟的地区的不同海拔下的空气密度对应的飞行器升力，将飞行器升力形成的PWM非线性升力曲线进行线性化处理，获得作为海拔高模型的线性模型；

建立地效模型的方法为：利用非结构网络技术生成无人机含地面效应的空间网格，在多旋翼旋转平面建立滑流边界条件，通过求解Euler方程对无人机在距离地面不同高度下的非定常气动力，对非定常气动力进行数值模拟建立地效模型；

建立执行器故障模型的方法为：建立两种故障模型，一种是机械部件故障，使执行器的运动参数、重心和机体坐标系发生改变；另一种是执行器的供电电压设置为欠压状态，输入操作信号无法对执行器进行准确驱动。

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