文 | 猎奇研究院

编辑 | 猎奇研究院

前言

二十世纪以来，四旋翼无人机由于其低成本、高机动、小体积等特点，被越来越频繁的应用在各种军事任务中，例如战场侦察、精准打击以及空地协同等。

技术基础理论概括

在复杂多变的战场环境下，高精度导航技术尤其重要，其中，视觉导航采用的视觉传感器相比于传统惯性导航的惯性测量单元具有被动式、隐蔽性强、采集信息更加丰富的优点。

针对现有视觉导航算法大多精度低、稳定性差的问题，需要在进行视觉导航算法室外飞行试验前，设计并研制四旋翼无人机视觉导航半物理仿真平台，开展半物理仿真试验验证，在提高算法迭代速度的同时避免由于算法缺陷导致的飞行事故和经济损失。

当前无人机仿真系统主要可分为三类：数字仿真系统、硬件在环仿真系统以及半物理仿真系统，无人机数字仿真系统可通过三维模型以及仿真场景的构建，实现无人机飞行的数字仿真，所以设计研发了一种无人机跟踪系统仿真平台，采用视景仿真软件进行动画显示，MATLAB/Simulink软件作为模型计算工具，还原了实际无人机飞行跟踪的场景。

数字仿真在飞行航机规划以及飞行仿真演示等领域也有着广泛的运用，完全基于计算机的数字仿真系统，虽然能够大幅降低成本，但是通常忽略了实际无人机系统中各个物理元件间的交互所产生的影响，因此仿真结果通常与实际情况偏差较大。

硬件在环仿真系统是将需要仿真部分的硬件放入数字仿真回路中的仿真系统，如分布式架构KASSANDRA，可以实现不同仿真工具之间的通讯，真实的硬件实体可以和仿真实体无缝衔接，达到更准确的仿真。

国内的国防科技大学也研发出了KDRTS/YH_ASTAR/YH-SUPE等，可以支持复杂的硬件在环回路仿真，并且可以与Simulink软件进行通讯，这类仿真系统有着确定性的实时仿真能力以及数据采集能力，结合计算机仿真技术可以更真实的模拟出飞机在不同环境下的飞行状况验证。

硬件在环仿真系统中使用计算机模型代替部分传感器或执行机构，与真实传感器存在较大的误差，并且这类系统无法提供真实世界的视觉反馈，不适用于无人机视觉导航试验，半实物仿真系统是指采用仿真设备来模拟试验对象或是试验物理环境，并以物理模型、数学模型联合开展仿真试验的系统。

半物理仿真可以将飞行系统中无法用数学模型准确描述的部分直接用实物引入，无人机的飞行运动特性模拟也是半实物仿真的重点，常用三轴转台和五轴转台来对飞行器的飞行姿态进行模拟，美国研发的S-458R-5Se型红外、激光仿真转台，其模拟转角精度可以达到2″。

2018年，韩国延世大学利用动作捕捉相机和两个气动航天模拟器，在光滑的铝表面模拟航天器推力控制，验证自主导航算法试验，但是这套系统缺少Z轴运动模拟以及X轴和Y轴的转动，国内的哈尔滨工业大学、中航303等研究机构也相继研发出了三轴转台、四轴电动转台以及电液控制的五轴转台。

国内外现有的大型转台由于自由度的限制，大多只能用于实现飞行姿态的模拟，不能对飞行轨迹和飞行场景进行模拟，不适合用于无人机视觉导航算法验证。

针对上述问题，本文开展适用于四旋翼无人机视觉导航的半物理仿真平台新型结构设计和研制，平台的机械结构可以保证在4.0m×2.0m×1.4m的三维空间范围内真实的四旋翼无人机的飞行姿态模拟与飞行轨迹复现。

在半物理仿真平台底部放置具有不同军事场景纹理信息的仿真沙盘，实现真实飞行场景模拟，利用控制系统可按比例在室内开展飞行模拟试验；仿真平台的控制系统基于EtherCAT总线，保证反馈的实时性，同时基于Qt与OpenInventor软件开发了无人机实时飞行动画模拟系统，实现飞行轨迹实时显示。

四旋翼无人机特性和动力学模型

首先建立四旋翼无人机的动力学模型，分析其运动规律，接着根据飞行特性，设计合适的机械结构并进行力学性能分析。

如图1所示，建立惯性坐标系OXYZ以及四旋翼坐标系O′rio，图1中M1、M2、M3和M4分别表示四旋翼各个轴上的驱动电机，F1、F2、F3和F4分别为4个电机产生的升力。

四旋翼无人机在三维空间内，只要其运动状态发生改变，其姿态也要随之改变，因此，为了模拟无人机的飞行，需要设计出在一定空间内具有6自由度的机械结构。

为了更好地进行无人机的试验，本文在传统三轴转台的基础上，增加了三轴桁架，使其具备3个方向的直线位移能力，搭建了可以在一定空间内拥有6自由度的无人机仿真平台，其三维结构如图2所示。

在模拟四旋翼无人机飞行时，由于三轴转台末端需要搭载光学前端，且转台在运转时会受到转动惯量的影响，这对转台的结构强度提出了一定的要求，如图3(a)所示的传统三轴转台大多是放置在地面上的，如果采用增大机架体积的方法来保证其结构强度，会导致转台重量增加。

本文对传统转台结构进行了改进，在不改变其承载能力的情况下实现轻量化设计，如图3(b)所示，当三轴转台悬挂在桁架上转动时，外框架所承受的载荷最大，对其进行有限元分析可以得到如图4所示的结果，在承受最大载荷时，其末端形变仅为1.14×10-7mm，力学性能满足高精度仿真的需求。

耦合动力学模型

本文所设计的仿真平台机械结构主要是由三轴桁架系统和三轴转台系统两个子系统组成，如图5所示。

三轴转台系统的3个旋转框架之间存在耦合关系，彼此之间的运动相互影响，耦合主要包括：惯量耦合和动力学耦合，惯量耦合是指在转台运动期间，其转动惯量在一定范围内变化；动力学耦合是指各框架之间惯性力矩的交叉耦合和陀螺效应，因此需要对各轴之间的耦合进行计算。

交流伺服电机数学模型

交流伺服系统具有高转矩比，能够实现系统的快速起动以及制动。

查阅电机产品手册可知，横滚轴与俯仰轴的力矩常数为4(kg·fm)/A，偏航轴的力矩常数为4.2(kg·fm)/A，此时交流电机可以简化成直流电机模型，从而实现三相永磁同步电机的控制参数解耦，达到矢量控制目的，三轴转台是一个三输入、三输出的非线性系统，并且各个转轴之间相互耦合，因此，为了提高控制精度，需要对系统进行解耦计算。

解耦设计

根据文献可知，本系统可以通过状态反馈和动态反馈补偿解耦。

控制系统设计

四旋翼无人机视觉导航半物理仿真平台设计中最重要的一环是伺服控制系统，控制系统要求响应快、精度高、鲁棒性好，为此本文选择基于EtherCAT总线进行实时控制系统的设计。

本系统为多轴同步协同工作，以实现无人机飞行的模拟，如图8所示，控制系统由工作站、翠欧PC-MACTEtherCAT总线控制器、哈默那科伺服电机组成，工控机上搭载着上位机，通过Ethernet和TRIOPC-MCAT总线运动控制器相连。

运动控制器通过EtherCAT与I/O拓展器连接，以实现同时与6台伺服电机驱动器相连，这样可实现六个电机同时转动，达到模拟飞行姿态的效果，伺服电机使用哈默那科AC伺服电机，其拥有独一无二的小型化设计，以及中空孔结构，执行元件中央的贯通孔内可穿过配线、配管、激光等，简化了机械装置的整体构造。

如表2三轴桁架主要参数所示，Z轴的负载最大，达到了2918.7N，其中减速机的速比为7，经计算，电机所承受的最大力矩为8.85N·m，最大速度为2519.98r/min。

考虑到安全系数比，本系统选用了松下的MHMF402L1型电机，该电机最大输出力矩达57.3N·m，力矩利用率为33%；最大速度为3000r/min，速度利用率为84%，可以为Z轴提供稳定的动力，同理，X轴与Y轴分别选用了松下的MHNF152L1型与MHMF03L1型伺服电机。

系统搭建

从控制系统架构可以看出，对于各轴电机运作时，对其同步性、实时性以及精确度都有着极高的要求，而EtherCAT总线控制技术，其数据传输速度可以达到100Mbit/s，是最快的工业以太网技术。

同时其对于数据帧的处理实时性很高，数据刷新周期小于100μs，结合高精度的分布式时钟，可以保证各从站节点设备的同步精度小于1μs，因此本文选取英国翠欧公司生产的EtherCAT总线控制器PC-MCAT作为运动控制器。

三轴转台部分选用科普利驱动器，该驱动器基于EtherCAT通信，且拥有极高的分辨率的A/D转换器，可确保最佳的电流环路性能，而三轴桁架部分采用日本松下公司生产MDDLNT55BF驱动器与其配套伺服电机。

与此同时，在直线导轨上安装英国雷尼绍生产的HK-0400-0002光栅，反馈据对位置数值，系统实物如图10所示，图10中，三轴桁架下方空间搭建特种环境沙盘，用于模拟各类军事场景航拍纹理，如图10(c)所示。

控制系统软件架构

平台应用软件分为控制模块和飞行模拟模块，如图11所示，控制模块主要是基于TRIOPCMACT运动控制卡的底层控制指令，基于VS2017以及Qt软件平台实现一些基本的运动控制功能，以及无人机的姿态信息，转换成TRIOBASIC语言并执行。

飞行模拟模块则是将仿真平台所传回来的各轴信息，转换成无人机动画飞行模拟，数据处理端翠欧运动控制器数据输入数据监控数据存储运动控制器通讯接口。

如图13所示为上位机程序运行流程图，采用多线程并行的思路，将数据显示，飞行动画模拟、姿态计算以及指令转换各自安置在所开辟的子线程中运行，各个线程之间通过Qt软件平台的槽信号进行数据通讯，保证了软件运行的流畅性，其中线程2基于OpenInventor软件，将仿真平台各个信息转换成无人机飞行姿态以及所模拟场景的空间位置，并显示飞行轨迹。

结论

本文提出了一种基于实时控制系统的6自由度四旋翼无人机视觉导航半物理仿真平台，机械机构包含三轴桁架和三轴转台，同时基于EtherCAT总线构建实时控制系统，通过Qt与OpenInventor软件将6轴的位置与角度信息转换成无人机飞行动画，实现实时轨迹跟踪，三轴转台的重复定位精度达到0.006°，三轴桁架的重复定位精度达到0.033mm。