一种飞行器运动的高保真建模与可视化仿真集成方法及系统技术方案

本发明专利技术公开了一种飞行器运动的高保真建模与可视化仿真集成方法及系统，涉及飞行控制仿真技术领域

【技术实现步骤摘要】
一种飞行器运动的高保真建模与可视化仿真集成方法及系统


[0001]本专利技术涉及飞行控制仿真
，具体涉及一种飞行器运动的高保真建模与可视化仿真集成方法及系统
。

技术介绍

[0002]无人机作为一种无人值守执行平台，天生具有灵活性强
、
机动性高等诸多优势
。
随着控制技术
、
传感技术和装置小型化的快速发展，无人机逐渐成为社会中各个领域之中不可或缺的重要装备
。
无人机分为固定翼和多旋翼两种，其中固定翼无人机通过机翼上下方空气流速差产生的升力维持自身运动，因此其具有长航时
、
速度快
、
长航程
、
载荷高和升限高的特点；多旋翼无人机则通过旋翼转动使空气对旋翼产生反作用力来驱动无人机运动，因此其具有体型小
、
质量轻
、
隐蔽性强
、
成本低和灵活性好等优点
。
在应用领域，固定翼无人机主要用于公路监测
、
草原或森林监督
、
遥感探测等需要较远航程和较高高度的任务场景之中；多旋翼无人机则用于电力巡检
、
街景拍摄
、
警用巡查
、
短距离运输等要求灵活的任务场景之中
。
[0003]虽然无人机的功能越来越完善，应用领域越来越广泛，但其面临的任务挑战和环境也越来越复杂
。
在固定翼无人机开发过程中，由于其任务要求较高，实验场景较为极端的特点，难以在真实应用场景之中进行飞行试验
。
虚幻引擎
(Unreal Engine
，简称
UE
或
UE5)
是
Epic Game
公司开发的一款游戏引擎，虚幻引擎以其强大的实时图像绘制能力
、
高真实的物理仿真画质
、
丰富且功能强大的单元体系成为了应用最为广泛
、
实力最为强大的游戏引擎之一
。
虚幻引擎不仅在游戏制作领域应用极为广泛，同时还广泛应用于高精度仿真
、
工业设计
、
虚拟现实
、
电影工业等诸多行业之中
。
[0004]现有无人机仿真平台多存在真实度低
、
可视效果差
、
无法实现多无人机协同仿真的缺点
。2018
年，为了更好的在实验教学之中进行无人机仿真和训练的应用，陈晋音等
[1]在机器人操作系统
(Robot Operating System,ROS)
基础上，开发了一款开发性教学无人机仿真训练平台，该平台可与多种算法相结合，灵活性较高，但如要实现仿真的真实性，必须要使用环境信息采集装备对各种信息进行搜集，构建仿真所需的
ROS
环境，可移植性较差；
Xian
等
[2]采用惯性制导传感器替代了数字模型中平台对于无人机位置的更新部分，构建了半实物飞行模拟仿真平台，但采用的
Flight Gear
和
Google Earth
可视化方法交互性和展示性较差
。

技术实现思路

[0005]为此，本专利技术提出一种飞行器运动的高保真建模与可视化仿真集成方法及系统
。
[0006]根据本专利技术的一方面，提出一种飞行器运动的高保真建模与可视化仿真集成方法，该方法包括以下步骤：
[0007]根据无人机部件的三维几何参数构建无人机三维几何模型；
[0008]基于所述无人机三维几何模型，利用计算流体力学软件计算获得气动数据；
[0009]通过线性外插方式将所述气动数据扩展为五维气动查询矩阵；
[0010]将所述五维气动查询矩阵嵌入基于六自由度的动态逆无人机控制模型中，实现无人机的闭环数字仿真
。
[0011]进一步地，所述气动数据包括三轴气动合力和合力矩；利用计算流体力学软件计算获得气动数据的过程包括：对所述无人机三维几何模型进行网格划分，生成非结构网格；基于非结构网格，采用雷诺时均方法进行求解，获得作用于无人机质心的三轴气动合力矩阵和气动合力矩矩阵
。
[0012]进一步地，所述五维气动查询矩阵包括迎角
、
侧滑角
、
升降舵偏
、
方向舵偏
、
副翼舵偏
。
[0013]进一步地，所述基于六自由度的动态逆无人机控制模型包括动态逆控制器
、
飞行器质量控制单元
、
六自由度动力学单元和气动插值单元；其中，所述动态逆控制器用于根据无人机的位置和姿态数据计算获得舵面指令，进而通过一阶惯性环节获得仿真的舵面角度；所述气动插值单元用于基于五维气动查询矩阵对所述动态逆控制器发送的舵面角度进行插值，获得不同状态点的气动力和气动力矩，并输出至所述六自由度动力学单元；所述飞行器质量控制单元用于获取并输出飞行器当前时刻的质量和转动惯量至所述六自由度动力学单元；所述六自由度动力学单元用于根据飞行器当前时刻的质量和转动惯量，将气动力和气动力矩转化为加速度和角加速度，进而积分得到下一时刻的无人机状态
。
[0014]进一步地，所述动态逆无人机控制模型还包含路径追踪单元，所述路径追踪单元用于根据预先设定的跟踪路径通过计算无人机当前位置与跟踪路径之间的位置矢量，并将其与无人机的速度矢量进行向量叉乘，获得无人机的滚转角指令，实现对跟踪目标的持续追踪
。
[0015]进一步地，所述路径追踪单元中预先设定的跟踪路径按照以下方法获得：
[0016]Step1
：计算所有
M
架无人机与所有
K
个目标之间的最优
Dubins
路径，将每条路径的代价值存入代价矩阵
C
；
[0017]Step2
：利用改进的粒子群算法对代价矩阵
C
进行搜索，获得最大代价最小的序列
I
u
；
[0018]Step3
：当迭代次数达到最大迭代次数限制时，判断以下不等式是否成立：
[0019][0020]式中，
min(I
u
)
表示序列
I
u
中的最短路径，
max(I
u
)
表示序列
I
u
中的最长路径，
v
min
表示无人机的最小飞行速度，
v
max
表示无人机的最大飞行速度；
[0021]当不等式成立时，使得在序列
I
u
中分配到最短路径的无人机原地多盘旋一圈，缩短序列
I
u
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种飞行器运动的高保真建模与可视化仿真集成方法，其特征在于，包括以下步骤：根据无人机部件的三维几何参数构建无人机三维几何模型；基于所述无人机三维几何模型，利用计算流体力学软件计算获得气动数据；通过线性外插方式将所述气动数据扩展为五维气动查询矩阵；将所述五维气动查询矩阵嵌入基于六自由度的动态逆无人机控制模型中，实现无人机的闭环数字仿真
。2.
根据权利要求1所述的一种飞行器运动的高保真建模与可视化仿真集成方法，其特征在于，所述气动数据包括三轴气动合力和合力矩；利用计算流体力学软件计算获得气动数据的过程包括：对所述无人机三维几何模型进行网格划分，生成非结构网格；基于非结构网格，采用雷诺时均方法进行求解，获得作用于无人机质心的三轴气动合力矩阵和气动合力矩矩阵
。3.
根据权利要求1所述的一种飞行器运动的高保真建模与可视化仿真集成方法，其特征在于，所述五维气动查询矩阵包括迎角
、
侧滑角
、
升降舵偏
、
方向舵偏
、
副翼舵偏
。4.
根据权利要求3所述的一种飞行器运动的高保真建模与可视化仿真集成方法，其特征在于，所述基于六自由度的动态逆无人机控制模型包括动态逆控制器
、
飞行器质量控制单元
、
六自由度动力学单元和气动插值单元；其中，所述动态逆控制器用于根据无人机的位置和姿态数据计算获得舵面指令，进而通过一阶惯性环节获得仿真的舵面角度；所述气动插值单元用于基于五维气动查询矩阵对所述动态逆控制器发送的舵面角度进行插值，获得不同状态点的气动力和气动力矩，并输出至所述六自由度动力学单元；所述飞行器质量控制单元用于获取并输出飞行器当前时刻的质量和转动惯量至所述六自由度动力学单元；所述六自由度动力学单元用于根据飞行器当前时刻的质量和转动惯量，将气动力和气动力矩转化为加速度和角加速度，进而积分得到下一时刻的无人机状态
。5.
根据权利要求4所述的一种飞行器运动的高保真建模与可视化仿真集成方法，其特征在于，所述基于六自由度的动态逆无人机控制模型还包含路径追踪单元，所述路径追踪单元用于根据预先设定的跟踪路径通过计算无人机当前位置与跟踪路径之间的位置矢量，并将其与无人机的速度矢量进行向量叉乘，获得无人机的滚转角指令，实现对跟踪目标的持续追踪
。6.
根据权利要求5所述的一种飞行器运动的高保真建模与可视化仿真集成方法，其特征在于，所述路径追踪单元中预先设定的跟踪路径按照以下方法获得：
Step1
：计算所有
M
架无人机与所有
K
个目标之间的最优
Dubins
路径，将每条路径的代价值存入代价矩阵
C
；
Step2
：利用改进的粒子群算法对代价矩阵
C
进行搜索，获得最大代价最小的序列
I
u
；
Step3
：当迭代次数达到最大迭代次数限制时，判断以下不等式是否成立：式中，
min(I
u
)
表示序列
I
u
中的最短路径，
max(I
u
)
表示序列
I
u
中的最长路径，
v
min
表示无人机的最小飞行速度，
v
max
表示无人机的最大飞行速度；当不等式成立时，使得在序列
I
u
中分配到最短路径的无人机原地多盘旋一圈，缩短序列
I
u
中的最短路径与最长路径之间的差值，之后再次判断上述不等式；
当不等式不成立时，基于序列
I
u
计算获得期望速度和期望到达时间，使得无人机按照序列
I
u
对应的路径以期望速度跟踪，具体为：将在序列
I
u
中分配到最长路径的无人机的飞行速度设置为最大飞行速度
v
max
，之后其他无人机按照自身的路径长度对自身速度进行调整，则第
i
架无人机的期望速度如下式所示：每架无人机的期望到达时间相同，期望到达时间计算如下：
7.
根据权利要求6所述的一种飞行器运动的高保真建模与可视化仿真集成方法，其特征在于，所述路径追踪单元中利用改进的粒子群算法对代价矩阵
C
进行搜...

【专利技术属性】
技术研发人员：任斯远，王松，白成超，陈功，潘正宵，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：