[发明专利]一种无人机实时仿真系统及其开发方法

权利要求书

1.一种无人机实时仿真系统，其特征在于，包括控制系统、执行机构、无人机动力学模型、传感器模型、辅助模块、通信模块、接口转换模块；所述执行机构包括环境模型、舵机模型，辅助模块包括上位机显示界面；所述接口转换模块包括第一接口转换模块、第二接口转换模块；控制系统输出控制信号通过第一接口转换模块将控制信号转换为执行结构的输入信号，执行机构接收处理过的控制信号完成动态特性模拟，输出环境模型的风门信息及舵机模型的舵面信息，无人机动力学模型根据环境模型的风门信息及舵机模型的舵面信息，完成飞行状态数据的更新解算，解算后的飞行状态数据一方面输出至传感器模型，另一方面输出至辅助模块，通过上位机显示界面进行显示；传感器模型以飞行状态数据作为数据源，实时模拟传感器的特性，传感器模型输出数据一方面通过通信模块发送出去，另一方面通过第二接口转换模块转换后回馈至控制系统。

2.根据权利要求1所述的无人机实时仿真系统，其特征在于：所述无人机动力学模型与上位机之间通过串口连接。

3.一种无人机实时仿真系统的开发方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1、构建开发环境及仿真模型：

在仿真平台下，构建执行机构、无人机动力学模型、传感器模型及模块之间的布局，构建执行机构的动态特性模拟模型、无人机动力学模型的飞行状态解算模型、传感器模型的解算模型；

步骤2、构建接口转换模块：

所述转换接口模块包括第一接口转换模块、第二接口转换模块，第一接口转换模块接收外部控制系统的控制信号，进行转换后输入至执行机构，第二接口转换模块接收传感器模型的输出信号，进行转换后输入至外部控制系统；

步骤3、构建辅助模块：

在上位机平台下，构建系统管理模块、通信模块和平台驱动模块的源代码；

步骤4、建立仿真平台各模块与上位机平台各模块之间的连接关系，生成实时仿真系统。

4.根据权利要求3所述的无人机实时仿真系统的开发方法，其特征在于：所述步骤1中执行机构的动态特性模拟模型为：

Tmdωm(t)dt+ωm(t)=K1ua(t)-K2Mc(t)]]>

其中，T_m是执行机构机电时间常数，K₁，K₂为执行机构传递系数，ω_m(t)执行机构转动角速率，u_a(t)为执行机构控制输入，M_c(t)为执行机构转动惯量。

所述步骤1中无人机动力学模型的飞行状态解算模型包括：

1)动力学方程组：

u·=rv-wq+Fx/m-gsinθv·=wp-ru+Fy/m+gcosθsinφw·=qu-pv+Fz/m+gcosθcosφ]]>

其中，u、v、w分别对应为飞机速度在机体坐标系x、y、z轴上的速度分量，p、q、r分别为滚转角速度、俯仰角速度偏航角速度，θ为俯仰角，φ为滚转角，g为重力加速度，F_x为x轴方向力，F_y为y轴方向力，F_z为z轴方向力；

2)运动学方程组：

φ·=p+tanθ(qsinφ+rcosφ)θ·=qcosφ-rsinφψ·=(qsinφ+rcosφ)/cosθ]]>

其中，ψ为偏航角；

3)力矩方程组：

p·=[IzxN+IzR+(IyIz-Iz2-Izx2)qr+Izx(Ix-Iy+Iz)pq]/(IxIz)q·=[(Iz-Ix)pr+Izx(r2-p2)+M]/Iyr·=[IxN+IzxR+(Ix2+Izx2-IxIy)pq+Izx(Iy-Iz-Ix)qr]/(IxIz-Izx2)]]>

其中，I_x、I_y和I_z为转动惯量，I_xy、I_zy和I_zx为惯性积，M为合力矩；

4)导航方程组：

x·e=ucosθcosψ+v(sinφsinθcosψ-cosφsinψ)+w(cosφsinθcosψ+sinφsinψ)y·e=ucosθsinψ+v(sinφsinθsinψ-cosφcosψ)+w(cosφsinθsinψ+sinφcosψ)h·=usinθ-vsinφcosθ-wcosφ]]>

其中，x_e、y_e和-h分别为飞机的地面坐标轴系x、y和z轴上的位置。

所述步骤1中传感器模型中的GPS解算模型为：

dPN=ucosθcosψ+v(sinφsinθcosψ-cosφsinψ)+w(cosφsinθcosψ+sinφsinψ)dPE=ucosθsinψ+v(sinφsinθsinψ+cosφcosψ)+w(cosφsinθsinψ-sinφcosψ)dlat=dPN/(H+63710001)dlon=dPE/[(H+63710001)cos(lat)]]]>

其中，PN和PE分别为北向的距离和东向距离，lat为推演出的纬度，lon为推演出的经度，H为无人机当前相对于起飞点的高度。