【技術實現步驟摘要】
本專利技術涉及無人機建模與仿真，具體為一種虛擬無人機與實裝無人機融合仿真方法及系統。
技術介紹
1、隨著無人機技術的快速發展，無人機仿真已成為設計、驗證無人機相關算法等流程中不可或缺的一環。目前，無人機仿真在多個領域如無人機動力學、避障技術和集群任務規劃等方面取得了顯著成果，發揮了不可替代的作用。
2、傳統的無人機操作依賴于實際的飛行測試，這種方式不僅成本高昂，而且耗時較長，特別是在復雜環境下，進行飛行測試面臨安全隱患和高風險。尤其在復雜環境下，存在安全隱患；傳統無人機操作依賴實際飛行測試，現有的無人機仿真系統通常無法準確模擬真實世界的復雜環境和動態變化，導致仿真結果與實際性能之間存在較大差異。此外，現有技術中，虛擬無人機的仿真與實裝無人機的操作往往存在顯著差異，難以實現有效的協同。在無人機操作中，來自不同傳感器的數據需要進行有效融合，以提供準確的環境感知和飛行狀態。為此，必須利用先進的數據處理和融合算法，提高數據處理的效率和精度，并確保實時性。
3、綜上，無人機操作和基于傳統方法的無人機仿真仍面臨一些挑戰。現有仿真系統在模擬真實世界的復雜環境和動態變化方面存在局限，導致仿真結果與實際性能之間可能存在較大差距，影響算法的有效性和可靠性。具體體現在以下幾個方面：
4、1、在實裝無人機構建精確的虛擬模型方面存在挑戰，尤其是在復雜的動力學行為和傳感器特性建模方面，開發者往往需要投入大量時間和資源；
5、2、傳統的仿真系統在高精度虛擬無人機模型構建中，模型往往難以準確捕捉復雜的動力學行為，
6、3、在快速傳感器模型配置方面，配置過程復雜且耗時，影響仿真效率，同時在動態環境中，實時校準和配置的保障難以實現，導致數據一致性問題。
7、4、數據處理和融合算法的復雜性高，計算量大，難以滿足實時處理需求，且在處理不同傳感器數據時適應性不足，影響融合效果。
8、因此，亟需一種虛擬無人機與實裝無人機融合仿真方法，根據實裝無人機構建虛擬無人機模型，實現仿真環境中真實資源與虛擬資源的融合和統一調配。
技術實現思路
1、本專利技術針對現有技術存在的技術問題，提供一種虛擬無人機與實裝無人機融合仿真方法及系統；能夠充分根據實裝無人機的實際配置，進行虛擬無人機的模型快速準確建立；可根據實際環境進行仿真環境搭建，且實現低成本、高實時性和強可靠性的實現仿真環境中真實資源與虛擬資源的融合和統一調配。
2、本專利技術解決其技術問題所采用的技術方案是：
3、第一方面，本專利技術提出一種虛擬無人機與實裝無人機融合仿真方法，包括：
4、獲取實裝無人機動力學參數信息以及設置于實裝無人機上的傳感器模塊檢測的實裝無人機運動學參數信息；
5、通過通訊模塊將實裝無人機動力學參數和實裝無人機運動學參數發送至仿真平臺；
6、根據實裝無人機動力學參數建立虛擬無人機模型；
7、根據實裝無人機運動學參數對虛擬無人機模型進行傳感器配置；
8、根據應用場景選擇仿真環境實現虛擬無人機融合仿真。
9、作為本專利技術的進一步技術方案為，所述實裝無人機動力學參數包括：實裝無人機質量、螺旋槳直徑、溫度、幾何扭矩、最大飛行海拔高度、無人機轉子數、無人機電池容量、無人機電池最小容量、電池電壓、電池電阻和無人機橫截面積參數。
10、作為本專利技術的進一步技術方案為，所述傳感器模塊包括：激光雷達、磁力計、氣壓計、慣性測量單元(imu)、全球定位系統(gps)和距離傳感器。
11、作為本專利技術的進一步技術方案為，所述通過通訊模塊實裝無人機動力學參數和實裝無人機運動學參數發送至仿真平臺；具體包括：所述通訊模塊通過udp/mavlink協議實現實裝無人機與仿真平臺的通訊。
12、作為本專利技術的進一步技術方案為，所述根據實裝無人機動力學參數建立虛擬無人機模型；具體包括：根據實裝無人機動力學參數建立多旋翼運動學位置動力學模型、姿態動力學模型和控制效率模型；
13、所述多旋翼運動學位置動力學模型為：
14、
15、其中，為無人機在地面坐標系x,y,z方向上的加速度分量，g為重力加速度，通常取9.81m/s2，fb為在機體坐標系中產生的升力(或推力)，m為無人機的質量，θ、φ、ψ為無人機的姿態角，分別表示俯仰角、橫滾角和偏航角；
16、所述姿態動力學模型為：
17、
18、其中，[τx?τy?τz]為無人機在x、y、z方向上的總轉矩；[ixx?iyy?izz]為無人機的轉動慣量矩陣的對角元素，分別表示繞x、y、z軸的轉動慣量；為無人機在機體坐標系中的角加速度分量；
19、所述控制效率模型為：
20、根據旋翼的旋轉角速度得出機體系升力fb和作用在機體上的力矩τ；升力fb和力矩τ與旋翼的旋轉角速度有如下關系：
21、
22、其中，fb為在機體坐標系中產生的總推力，[τx?τy?τz]為無人機在x、y、z方向上的總轉矩，ct為推力系數，表示每個旋翼產生的推力與輸入功率之間的關系；dct為推力系數的變化量；cm為力矩系數，表示旋翼產生的力矩與輸入功率之間的關系；為四個旋翼的旋轉角速度平方。
23、作為本專利技術的進一步技術方案為，所述根據實裝無人機運動學參數對虛擬無人機模型進行傳感器配置；具體包括：
24、根據實裝無人機的實際傳感器參數生成虛擬傳感器的數據輸出；
25、在仿真平臺中模擬實際傳感器在不同飛行狀態和環境條件下的表現，進行虛擬無人機的傳感器配置；
26、根據虛擬環境特性在數據生成過程中引入噪聲和誤差調整傳感器配置。
27、作為本專利技術的進一步技術方案為，所述根據實裝無人機的實際傳感器參數生成虛擬傳感器的數據輸出；具體包括：
28、通過設置各個無人機在仿真時的飛行路徑，并設置飛行時采用的控制算法，即每架虛擬無人機都有一個可單獨設置每架無人機的路徑點和控制器，實現各個無人機的獨立控制；
29、其中缺省模式下的控制算法為令無人機按照1m/s的固定速度依次通過各個路徑點。
30、作為本專利技術的進一步技術方案為，所述在仿真平臺中模擬實際傳感器在不同飛行狀態和環境條件下的表現，進行虛擬無人機的傳感器配置；具體包括：通過基于擴展卡爾曼濾波算法自適應動態調整傳感器權重進行多傳感器融合，其中，自適應動態調整傳感器權重基于實裝傳感器的性能指標，包括準確率、響應時間、歷史數據的穩定性進行動態評分計算，動態評分計算公式如下，
31、
32、其中，scorei是傳感器i的動態評分，用于動態調整傳感器的權重，評分越高，權重越大；accuracyi是傳感器i的準確率，表示傳感器在測量或檢測時的正確性，通常以百分比表示(如0.95表示95％的準確率)；maxaccur本文檔來自技高網...
【技術保護點】
1.一種虛擬無人機與實裝無人機融合仿真方法，其特征在于，包括：
2.根據權利要求1所述的一種虛擬無人機與實裝無人機融合仿真方法，其特征在于，所述實裝無人機動力學參數信息包括：實裝無人機質量、螺旋槳直徑、溫度、幾何扭矩、最大飛行海拔高度、無人機轉子數、無人機電池容量、無人機電池最小容量、電池電壓、電池電阻和無人機橫截面積參數。
3.根據權利要求1所述的一種虛擬無人機與實裝無人機融合仿真方法，其特征在于，所述傳感器模塊包括：激光雷達、磁力計、氣壓計、慣性測量單元、全球定位系統和距離傳感器。
4.根據權利要求1所述的一種虛擬無人機與實裝無人機融合仿真方法，其特征在于，所述通過通訊模塊實裝無人機動力學參數和實裝無人機運動學參數發送至仿真平臺；具體包括：所述通訊模塊通過UDP/MAVLink協議實現實裝無人機與仿真平臺的通訊。
5.根據權利要求1所述的一種虛擬無人機與實裝無人機融合仿真方法，其特征在于，所述根據實裝無人機動力學參數建立虛擬無人機模型；具體包括：根據實裝無人機動力學參數建立多旋翼運動學位置動力學模型、姿態動力學模型和控制效率模型
6.根據權利要求1所述的一種虛擬無人機與實裝無人機融合仿真方法，其特征在于，所述根據實裝無人機運動學參數對虛擬無人機模型進行傳感器配置；具體包括：
7.根據權利要求6所述的一種虛擬無人機與實裝無人機融合仿真方法，其特征在于，所述根據實裝無人機的實際傳感器參數生成虛擬傳感器的數據輸出；具體包括：
8.根據權利要求6所述的一種虛擬無人機與實裝無人機融合仿真方法，其特征在于，所述在仿真平臺中模擬實際傳感器在不同飛行狀態和環境條件下的表現，進行虛擬無人機的傳感器配置；具體包括：通過基于擴展卡爾曼濾波算法自適應動態調整傳感器權重進行多傳感器融合，其中，自適應動態調整傳感器權重基于實裝傳感器的性能指標，包括準確率、響應時間、歷史數據的穩定性進行動態評分計算，動態評分計算公式如下，
9.根據權利要求8所述的一種虛擬無人機與實裝無人機融合仿真方法，其特征在于，所述通過基于擴展卡爾曼濾波算法自適應動態調整傳感器權重進行多傳感器融合；還包括：對傳感器權重進行更新，虛擬無人機的傳感器配置模塊中的各傳感器熵值計算如下：
10.一種虛擬無人機與實裝無人機融合仿真系統，其特征在于，采用如權利要求1-9中任一所述的一種虛擬無人機與實裝無人機融合仿真方法，包括：
...【技術特征摘要】
1.一種虛擬無人機與實裝無人機融合仿真方法，其特征在于，包括：
2.根據權利要求1所述的一種虛擬無人機與實裝無人機融合仿真方法，其特征在于，所述實裝無人機動力學參數信息包括：實裝無人機質量、螺旋槳直徑、溫度、幾何扭矩、最大飛行海拔高度、無人機轉子數、無人機電池容量、無人機電池最小容量、電池電壓、電池電阻和無人機橫截面積參數。
3.根據權利要求1所述的一種虛擬無人機與實裝無人機融合仿真方法，其特征在于，所述傳感器模塊包括：激光雷達、磁力計、氣壓計、慣性測量單元、全球定位系統和距離傳感器。
4.根據權利要求1所述的一種虛擬無人機與實裝無人機融合仿真方法，其特征在于，所述通過通訊模塊實裝無人機動力學參數和實裝無人機運動學參數發送至仿真平臺；具體包括：所述通訊模塊通過udp/mavlink協議實現實裝無人機與仿真平臺的通訊。
5.根據權利要求1所述的一種虛擬無人機與實裝無人機融合仿真方法，其特征在于，所述根據實裝無人機動力學參數建立虛擬無人機模型；具體包括：根據實裝無人機動力學參數建立多旋翼運動學位置動力學模型、姿態動力學模型和控制效率模型；
6.根據權利要求1所述的一種虛擬無人機與實...
【專利技術屬性】
技術研發人員：安毅生，馬博迪，李婷，陳新宇，何煒，路浩文，張耀文，李鵬，
申請(專利權)人：長安大學，
類型：發明
國別省市：
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