阅读说明：本技术 复合式无人机半实物仿真系统 (Combined type unmanned aerial vehicle semi-physical simulation system ) 是由 王松 胡豫锦 阿娜斯塔 付仁皓 张楠 于 2020-05-26 设计创作，主要内容包括：本发明公开了复合式无人机半实物仿真系统,属于系统仿真技术领域。该系统包括数学模型、三轴转台、缩比样机、三维视景模块、飞行数据监测模块和飞行控制模块。首先建立真实无人机A的仿真数学模型,将无人机A的状态量输入到飞行控制模块中,解算出控制量驱动无人机A舵面和电机油门进行动作,并将姿态角数据和控制数据分别传递给三轴转台的单片机,驱动三轴转台运动带动缩比样机,实现三自由度的姿态运动展示,以及舵量、四旋翼电机和固定翼电机的油门展示。飞行数据监测模块实时监测状态量,并绘制成曲线显示。通过将无人机A的状态量递给三维视景模块,从而实现模型无人机A起降的全流程视景展示。本发明控制成本,提高效率,实现人机交互。(The invention discloses a combined type unmanned aerial vehicle semi-physical simulation system, and belongs to the technical field of system simulation. The system comprises a mathematical model, a three-axis rotary table, a scaling model machine, a three-dimensional view module, a flight data monitoring module and a flight control module. Firstly, a simulation mathematical model of a real unmanned aerial vehicle A is established, the state quantity of the unmanned aerial vehicle A is input into a flight control module, the control quantity is solved to drive a control surface of the unmanned aerial vehicle A and a motor throttle to move, attitude angle data and control data are respectively transmitted to a single chip microcomputer of a three-axis turntable, the three-axis turntable is driven to move to drive a scaling model machine, and three-degree-of-freedom attitude motion display and throttle display of a rudder quantity, a four-rotor motor and a fixed wing motor are realized. And the flight data monitoring module monitors the state quantity in real time and draws a curve to display. The state quantity of the unmanned aerial vehicle A is delivered to the three-dimensional view module, so that the full-flow view display of the take-off and landing of the model unmanned aerial vehicle A is realized. The invention controls the cost, improves the efficiency and realizes the human-computer interaction.)

复合式无人机半实物仿真系统

技术领域

本发明属于系统仿真技术领域，具体是一种复合式无人机半实物仿真系统。

背景技术

复合式无人机是近年来受到广泛关注的一种新型构型的具备垂直起降能力的飞行器，这种构型的飞行器采用固定翼飞机和四旋翼套件通过结构上的简单结合得到，具有技术实现门槛较低和成本低廉等优点。

在飞行器研制中，仿真是不可或缺的支撑手段，它对提高飞行器设计质量，降低研制成本，缩短研制周期具有极其重要的作用。据统计，仿真技术可缩短飞行器研制周期20％～40％，节约定型试验样本数10％～30％，减少试验次数50％～80％，缩短联调时间40％～60。

半实物仿真作为仿真技术的一个分支，是计算机软件、数学模型、系统部件(或设备)与物理效应装置(或模拟器)相结合的仿真方式，为包括飞行器在内的复杂工程系统必不可少的主要仿真方法和手段。由于半实物仿真技术可实现人和硬件在回路仿真，且模拟的逼真度和可信度相对较高，对飞行器研制至关重要。

最近几年，国内外在飞行器仿真方面，逐渐流行采用快速原型化方法设计。所谓快速原型化就是应用Matlab/Simulink模块框图对飞行控制系统和无人机建立系统模型，进行全数字仿真设计。然后利用RTW(Real-Time Workshop)将无人机模型直接从Simulink模块中产生优化的、可移植的嵌入式实时代码，将其下载至装有Vxworks或RTX等实时操作系统的嵌入式计算机上进行仿真。

目前针对常规固定翼以及四旋翼的半实物仿真系统的设计已有不少，但是关于复合式无人机的半实物仿真系统的设计相对缺乏。复合式无人机采用固定翼和旋翼复合设计，搭载固定翼动力系统和四旋翼动力系统两套动力系统，具有可行性高，机械结构简单，经济成本低和安全系数高等优点。工作原理是:在垂直起降阶段和低速阶段按照四旋翼模态飞行，通过电机旋转带动螺旋桨转动，从而产生飞行需要的拉力；而在高速状态下，切换至固定翼模态飞行，通过机翼翼面产生的气动升力克服重力，通过推力发动机产生的推力克服气动阻力实现飞行。

搭建复合式无人机半实物仿真系统可以有效的降低研制成本，在半实物仿真系统中完成对于飞行控制律的验证和参数的选择等，尤其是对于过渡阶段的控制律的设计与验证，可以在进行外场飞行前减少试验飞行风险，并且可以尽可能的通过地面仿真系统实验模拟和解决飞行过程中可能出现的故障和问题，所以对于复合式无人机的半实物仿真系统的设计是很有必要的。

已知现有文献1中，公布号为CN108008646A的《一种无人机航电半实物仿真系统》，建立了包括飞行仿真、三维视景和接口及仿真控制台等模块，但是该方案针对的是无人直升机，且并没有物理转台及缩比样机的动态展示，以及对于飞行仿真过程中的数据监测及显示。文献2中，公布号为CN102789171A的《一种可视化无人机飞行控制半实物仿真测试方法及系统》，建立了无人机系统动力学模型及驱动无人机的三维仿真模型。但是该方案并没有说明针对哪种类型的无人机，且同样缺少物理转台及缩比样机的动态展示。

发明内容

本发明针对上述问题，提出了一套针对复合式无人机的半实物仿真系统。通过建立复合式无人机数学模型来完成无人机的姿态和位置解算，输出无人机的姿态角、位置、速度和加速度等信息；通过飞行控制模块进行飞行航迹规划和飞行姿态控制，输出舵量、固定翼电机以及四旋翼电机的油门等控制量；设计物理三轴转台来展示复合式无人机的姿态变化；设计复合式无人机缩比样机来展示复合式无人机的舵面、四旋翼电机和固定翼电机的动作；设计飞行数据监测模块来监测仿真过程中无人机数学模型状态量的变化；设计三维视景模块实现数字飞机全流程仿真垂直起飞、模态切换、盘旋和垂直降落飞行的视景展示，从而实现复合式无人机半实物仿真系统的设计和搭建。

所述的复合式无人机半实物仿真系统包括：数学模型、三轴转台、缩比样机、三维视景模块、飞行数据监测模块、飞行控制模块、地面站以及各个部分之间的通信模块。

其中数学模型、三维视景模块、飞行数据监测模块和地面站运行在PC机中；三轴转台、缩比样机和飞行控制模块为实物。通过一路串口通信实现复合式无人机数学模型和飞行控制模块之间的数据传递；通过另一路串口通信实现复合式无人机数学模型和三轴转台的数据通信；复合式无人机缩比样机放置在三轴转台上，三轴转台的输出信号来控制复合式无人机缩比样机中电机与舵面的运动。

所述复合式无人机数学模型是指在PC机中对真实无人机A进行仿真建模后得到的仿真数学模型，仿真数学模型包括电机模块，气动力及力矩解算模块和六自由度运动方程模块，主要用来完成模型无人机A的姿态和位置解算。

将模型无人机A的位置、姿态和速度等状态信息输入到飞行控制模块，经过飞行控制模块中控制律的解算，得到模型无人机A目前状态的舵量、固定翼电机油门和四旋翼电机油门等控制量；

飞行控制模块将这些控制量再次反馈到仿真数学模型中的电机模块以及气动力及力矩解算模块中解算出力和力矩，并将力和力矩输入到六自由度运动方程模块中解算得到模型无人机A的姿态、位置、速度和加速度等信息，形成闭环通信；

所述三轴转台用来实现对模型无人机A姿态运动的物理展示，三轴转台依靠三个串联的运动框架能进行三个自由度的运动，即俯仰运动、滚转运动以及偏航运动。三轴转台包括舵机、角度传感器和单片机；舵机作为驱动器，角度传感器作为姿态测量器，单片机作为控制器。

三个串联的运动框架包括：俯仰运动框架、滚转运动框架和偏航运动框架，框架采用半“工”字形；采用滑环进行PWM信号的传输；采用单片机作为控制器，接收数学模型发出的模型无人机A的三个姿态角信号，通过单片机中的定时器功能按照一定规律输出PWM波控制舵机驱动三个串联的运动框架，实现转台的运动，同时采用角度传感器测得三轴转台的姿态角。

所述缩比样机固定在三轴转台的上方，借助三轴转台的运动带动缩比样机，实现缩比样机姿态角的变化；单片机同时接收数学模型发出的舵量、四旋翼电机油门和固定翼电机油门等控制信号，控制缩比样机中舵面的偏转、四旋翼电机和固定翼电机的转动，保持缩比样机的动态与模型无人机A在PC机中仿真运行的动态相同。

所述飞行数据监测模块，对模型无人机A在运行过程中的姿态角、姿态角速度、经纬度和高度等信息进行采集和曲线化显示，快速判断模型无人机A的当前运行状态，对飞行过程中存在异常的飞行数据及对应时间进行标记，也可以对之前的飞行数据进行回放。

所述三维视景模块用来展示模型无人机A的全流程飞行，在PC机中通过3D建模搭建的无人机A的三维模型，并导入三维视景模块中，通过输入模型无人机A的副翼、方向舵和升降舵三个舵面、固定翼电机、四旋翼电机的动作来驱动三维模型中相应的结构进行运动，并通过输入经纬度、高度和姿态来改变三维模型在三维视景模块中的位置和姿态，实现模型无人机A的三维模拟飞行。

所述的复合式无人机半实物仿真方法，具体步骤如下：

步骤一、在MATLAB/Simulink软件中建立针对复合式无人机A的仿真数学模型；

仿真数学模型包括电机模块、气动力及力矩解算模块和六自由度运动方程模块；

电机模块在频域下的数学建模方程如下：

ω表示电机转速，C_R表示电机曲线系数，δ表示电机油门，取值在0～1之间，ω_b表示电机曲线常数，T_m表示电机响应时间常数，s表示频域下的微分项。

F＝C_t*ω*ω

F表示单个电机产生的力，C_t表示单桨拉力系数。

气动力及力矩解算模块的输入为飞行器的迎角α，侧滑角β，升降舵偏角δ_e，副翼偏角δ_a，方向舵偏角δ_r，输出为气动力和气动力矩。

气动力及力矩方程如下：

作用在飞行器上的空气动力分解为阻力D，升力L和侧力C，C_D是阻力系数，C_C是侧力系数，L是升力系数，ρ是空气密度，V是飞行速度，S是飞行器的参考面积；

空气动力力矩分解为滚转力矩L_roll，俯仰力矩M，偏航力矩N，C_l是滚转力矩系数，C_m是俯仰力矩系数，C_n是偏航力矩系数，b是机翼展长，C_A是机翼平均气动弦长。

六自由度运动方程如下：

质心动力学方程：

(u,v,w)表示机体坐标系中x,y,z轴的速度分量，表示机体坐标系中x,y,z轴的速度变化率，(p,q,r)为机体坐标系中x,y,z轴的角速度分量。(φ,θ,ψ)为机体坐标系中x,y,z轴的滚转角、俯仰角和偏航角。g表示重力加速度，m表示无人机的质量，F_x,F_y,F_z表示无人机收到的合外力在机体坐标系x,y,z中的分量；

转动动力学方程：

(I_x,I_y,I_z)为飞行器绕x,y,z轴的转动惯量，I_zx为飞行器绕zx轴的惯性积；

质心运动学方程：

表示地球坐标系中飞行器三轴位置的变化率。

转动运动学方程：

其中，为滚转角变化率、俯仰角变化率和偏航角变化率；

步骤二、将模型无人机A的状态量通过串口通讯模块输入到飞行控制模块中，通过控制律解算出控制量，驱动模型无人机A舵面和电机油门进行动作；

状态量包括模型无人机A的位置、姿态、速度和加速度等；

所述的控制律设计包括四旋翼模态下的控制律设计，固定翼模态下的控制律设计以及过渡模态的控制律设计。

对于四旋翼模态，控制律设计包括纵向外环高度控制-内环俯仰角控制；航向外环航向距离/速度控制-内环航向角控制；横向外环横向距离/速度控制-内环滚转角控制。

对于固定翼模态，控制律设计包括纵向外环高度-内环俯仰角控制；航向水平位置/航向控制；横向外环侧偏距离-内环滚转角控制；以及空速控制。

对于过渡模态的控制，对四旋翼模态的控制律以及固定翼模态的控制律按照控制要求进行一定的组合得到对于过渡模态的控制。

步骤三、模型无人机A运动过程中的姿态角数据通过串口通讯模块传递给三轴转台的单片机，单片机控制舵机驱动三个串联的俯仰运动框架、滚转运动框架和偏航运动框架运动，进一步带动缩比样机，实现缩比样机的俯仰、滚转和偏航三自由度的姿态运动展示；

步骤四、模型无人机A运动过程中的控制数据通过串口通讯模块传递给三轴转台的单片机，单片机输出控制信号控制缩比样机的舵面偏转，四旋翼电机和固定翼电机的转动来展示模型无人机A的舵量，四旋翼电机和固定翼电机的油门大小；

控制数据包括舵量、四旋翼电机油门和固定翼电机油门等；

步骤五、飞行数据监测模块实时监测模型无人机A在飞行过程中的位置、姿态、速度、舵面偏角、固定翼电机的油门和四旋翼电机转速等状态量，绘制曲线变化并显示实时的状态量数据。

步骤六、通过UDP通信将模型无人机A的舵面动作，经纬度，高度、速度，俯仰角等信息传递给三维视景模块，从而实现模型无人机A起降的全流程视景展示。

本发明的优点在于：

(1)本发明一种复合式无人机半实物仿真系统，通过设计复合式无人机缩比样机，可以更加直观的观察到复合式无人机在飞行过程中舵面、四旋翼电机、固定翼电机的动作及变化趋势；通过固定在三轴转台上，三轴转台运动时带动缩比样机运动，可以模拟飞机在飞行时的姿态变化

(2)本发明一种复合式无人机半实物仿真系统，通过设计飞行数据监测模块，实现对于复合式无人机数学模型运行过程中的数据监测，快速的了解复合式无人机的飞行状态、分析飞行时复合式无人机的特点以及飞行过程中的数据变化；

(3)本发明一种复合式无人机半实物仿真系统，通过设计三维视景模块，可以通过三维视景软件，直观地展示出复合式无人机三维模型从起飞到降落的全过程；

(4)本发明一种复合式无人机半实物仿真系统，可以有效节省复合式无人机控制系统开发过程中的成本，提高效率，同时可实现人机交互，进行仿真飞行训练。

附图说明

图1为本发明中复合式无人机结构示意图；

图2为本发明中设计的三轴转台示意图；

图3为本发明中复合式无人机缩比模型示意图；

图4为本发明中复合式无人机半实物仿真方法的原理图；

图5为本发明复合式无人机半实物仿真方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行进一步详细说明。

本发明提供一种复合式无人机半实物仿真系统。所述的复合式无人机如图1所示，仿真系统包括复合式无人机数学模型、三维视景模块、三轴转台(包括转台结构和转台控制模块两部分)、复合式无人机缩比样机、飞行数据监测模块、飞行控制模块、地面站以及各个部分之间的通信模块。

半实物仿真系统实现的基础是实现飞行控制模块和复合式无人机数学模型之间的数据通信，前者输出控制量给数学模型，数学模型提供无人机模型的位置、姿态等信息反馈给飞行控制模块，从而实现飞行控制模块对于数学模型的飞行航迹规划和飞行姿态控制；

地面站用来进行控制指令的传输；三轴转台用来直观的展示无人机模型的姿态运动；复合式无人机缩比样机用来展示无人机运动过程中舵面、四旋翼电机和固定翼电机的动作；三维视景模块用来展示三维复合式无人机模型的飞行全流程，包括垂直起飞、降落、模态切换等；飞行数据监测模块用来实时监测复合式无人机模型中的数据(姿态角、姿态角速度、空速和高度等)，并绘制成曲线，以便更好的分析模型在运行过程中的变化。

其中复合式无人机数学模型、三维视景模块、飞行数据监测模块和地面站运行在PC机中；三轴转台、复合式无人机缩比样机和飞行控制模块为实物。通过一路串口通信实现复合式无人机数学模型和飞行控制模块之间的数据传递；通过另一路串口通信实现复合式无人机数学模型和三轴转台的数据通信；复合式无人机缩比样机放置在三轴转台上，三轴转台输出信号来控制复合式无人机缩比样机中电机与舵面的运动。

所述复合式无人机数学模型是指在PC机中对真实无人机A进行仿真建模后得到的仿真数学模型。仿真数学模型包括电机模块，气动力及力矩解算模块和六自由度运动方程模块，主要用来完成模型无人机A的姿态和位置解算。

通过将模型无人机A的位置、姿态和速度等信息输入到飞行控制模块，经过飞行控制模块中控制律的解算，得到模型无人机A目前状态的舵量、固定翼电机油门和四旋翼电机油门等控制量；

飞行控制模块将这些控制量再次反馈输入到仿真数学模型中的电机模块和气动力及力矩解算模块中解算出力和力矩，并将力和力矩输入到六自由度运动方程模块中解算得到模型无人机A的姿态、位置、速度和加速度等信息，形成闭环通信；

仿真数学模型和飞行控制模块之间按照规定的数据通信协议进行通信，实现无人机数学模型和飞行控制模块之间的数据交互，完成对于模型无人机A的飞行航迹规划和飞行姿态控制。

如图2所示，所述三轴转台包括转台结构和转台控制模块两部分，用来实现对模型无人机A姿态运动的物理展示，三轴转台借助SOLIDWORKS工具进行结构设计，之后通过加工组装得到实际的三轴转台，三轴转台主要分为俯仰运动框架、滚转运动框架、偏航运动框架三个运动框架的结构设计，其中偏航运动框架和滚转运动框架采用半“工”字型的结构，一端用来安装舵机，另一端用来安装角度传感器，俯仰运动框架各部分组成之间通过螺柱及螺钉进行紧固，构成半“工”字形框架，

如图3所示，所述复合式无人机缩比样机固定在三轴转台的上方，借助三轴转台的运动带动缩比样机，实现缩比样机姿态角的变化，如舵面，四旋翼电机和固定翼电机的动作；其中驱动器采用舵机，因为三轴转台是用来展示三轴姿态角的，因此需要对三轴转台的角度控制有较高的要求，故采用舵机作为驱动器；传感器采用基于霍尔原理的角度传感器，转台控制模块采用单片机作为控制器，通过单片机中的数模转换，将传感器采集到的数字量转化为模拟量，从而测得当前的姿态角；三轴转台共有三个舵机和三个传感器，通过传动比为1的齿轮传动进行啮合，从而测得偏航角的当前角度；由于转台具有三自由度，因此控制舵机以及采集传感器的接线需要通过滑环来连接，滑环采用环形的结构，转轴穿过滑环的内部，滑环通过螺钉与基座连接固定；舵机以及传感器的安装均采用螺钉进行紧固连接。三轴转台依靠三个串联的运动框架能进行三个自由度的运动，即俯仰运动、滚转运动以及偏航运动。

同时，单片机接收数学模型发出的舵量、四旋翼电机油门和固定翼电机油门等控制信号，控制缩比样机中舵面的偏转、四旋翼电机和固定翼电机的转动，来展示模型无人机A在PC机中仿真运行的过程中舵量、四旋翼电机油门和固定翼油机油门的大小变化。

所述飞行数据监测模块，对模型无人机A在运行过程中的姿态角，姿态角速度，经纬度，高度等信息进行采集和曲线化显示，快速判断模型无人机A的当前运行状态，对飞行过程中存在异常的飞行数据及对应时间进行标记，也可以对之前的飞行数据进行回放。

所述三维视景模块用来展示模型无人机A的全流程飞行，在PC机中通过3D建模搭建复合式无人机A的三维模型，并导入三维视景模块中，通过输入模型无人机A的副翼、方向舵和升降舵三个舵面、固定翼油机、四旋翼电机的动作来驱动三维模型中相应的结构进行运动，通过输入经纬度、高度和姿态来改变三维模型在三维视景模块中的位置和姿态，实现模型无人机A的三维模拟飞行。

本发明中半实物仿真系统的运行过程如下，首先在MATLAB/Simulink中运行复合式无人机数学模型，在数学模型运行的同时，模型的数据会通过串口传给飞行控制模块和三轴转台，也会保存在MATLAB的Workspace中，同时通过UDP通信将数据传输给三维视景模块。这时，飞行数据监测模块、三轴转台、复合式无人机缩比样机及三维视景模块同时就绪，通过地面站来执行飞行指令的时候，飞行数据监测模块会根据模型的状态变化绘制曲线，三轴转台和缩比样机可以进行无人机姿态角、舵面和电机的动作，三维视景模块会显示三维复合式无人机的飞行，从而实现半实物仿真系统的正常运行。

所述的复合式无人机半实物仿真方法，如图4所示，首先，构建复合式无人机数学模型(通过MATLAB/Simulink中搭建，在Simulink环境下运行)，然后分别与飞行控制模块，三轴转台，飞行数据监测模块和三维视镜模块进行通信；飞行控制模块接收对面站的指令并进行反馈；三轴转台带动复合式无人机的缩比样机做与模型无人机相同的姿态；飞行数据监测模块对数学模型无人机的各数据进行实时监测；三维视景模块对建模的复合式无人机三维模型进行展示。复合式无人机数学模型通过MATLAB/Simulink搭建，箭头“1”表示数学模型与飞行控制模块之间的数据通信，该通信采用串口通信，可通过在Simulink中添加串口模块，设置串口号，波特率，数据位，停止位校验方式等来实现无人机数学模型与飞行控制模块的通信，串口标准接口采用RS-232标准。数学模型传输给飞行控制模块的数据包括：姿态角，姿态角速度，经纬度，高度等GPS信息，数据输出频率可以在Simulink中设定；飞行控制模块传输给数学模型的控制量，包括固定翼电机、四旋翼电机、副翼舵量、方向舵舵量、升降舵舵量等，数据输出频率可以在飞行控制系统中设定。箭头“6”表示，地面站与飞行控制模块的数据交互，该通讯可通过无线电台进行从而完成飞行指令以及无人机状态量的数据传输。

箭头“3”表示Simulink中无人机模型状态量(如姿态角，姿态角速度等)的数据传递，将状态量传递到MATLAB中的Workspace，通过MATLAB编写飞行数据监测模块来实现对于复合式无人机数据模型在运行过程中的状态量的监测，实现状态量的图形化输出；箭头“4”表示数学模型与三维视景模块之间的数据交互，可以通过UDP通信实现将无人机的当前经纬度，姿态角，速度，舵量等信息传递给三维视景软件Flightgear，完成该数学模型的三维展示，在UDP通信过程中，采用本机与自身的通信，IP地址设为127.0.0.1。箭头“5”表示将搭建好的三维无人机模型导入Flightgear中，可以采用AC3D软件进行模型的绘制，最后将ac格式的文件导入。

箭头“2”表示将无人机的姿态角、舵量、固定翼电机、四旋翼电机等控制量的传输，通信方式同样采用串口通信，采用与“1”中不同的串口号，控制板采用STM32单片机，通过编写程序实现单片机的串口接受数据，舵机、电机的驱动以及传感器信号的采集，通过配置串口来实现接受MATLAB/Simulink中复合式无人机数学模型的数据，通过驱动舵机和电机来实现三轴转台及缩比样机的运动，通过传感器来采集三轴转台当前的角度；箭头“7”表示将缩比样机固定在转台上，通过转台的运动来展示缩比样机姿态角的动作。

如图5所示，具体步骤如下：

步骤一、在MATLAB/Simulink软件中建立针对复合式无人机A的仿真数学模型；

仿真数学模型包括电机模块、气动力及力矩解算模块和六自由度运动方程模块；

电机模块在频域下的数学建模方程如下：

ω表示电机转速，C_R表示电机曲线系数，δ表示电机油门，取值在0～1之间，ω_b表示电机曲线常数，T_m表示电机响应时间常数，s表示频域下的微分项。

F＝C_t*ω*ω

F表示单个电机产生的力，C_t表示单桨拉力系数。

气动力及力矩解算模块的输入为飞行器的迎角α，侧滑角β，升降舵偏角δ_e，副翼偏角δ_a，方向舵偏角δ_r，输出为气动力和气动力矩。

气动力及力矩方程如下：

作用在飞行器上的空气动力分解为阻力D，升力L和侧力C，C_D是阻力系数，C_C是侧力系数，C_L是升力系数，ρ是空气密度，V是飞行速度，S是飞行器的参考面积；

空气动力力矩分解为滚转力矩L_roll，俯仰力矩M和偏航力矩N。C_l是滚转力矩系数，C_m是俯仰力矩系数，C_n是偏航力矩系数，b是机翼展长，C_A是机翼平均气动弦长。

六自由度运动方程如下：

质心动力学方程：

(u,v,w)表示机体坐标系中x,y,z轴的速度分量，表示机体坐标系中x,y,z轴的速度变化率，(p,q,r)为机体坐标系中x,y,z轴的角速度分量。(φ,θ,ψ)为机体坐标系中x,y,z轴的滚转角、俯仰角和偏航角。g表示重力加速度，m表示无人机的质量，F_x,F_y,F_z表示无人机收到的合外力在机体坐标系x,y,z中的分量；

转动动力学方程：

(I_x,I_y,I_z)为飞行器绕x,y,z轴的转动惯量，I_zx为飞行器绕zx轴的惯性积；

质心运动学方程：

表示地球坐标系中飞行器三轴位置的变化率，

转动运动学方程：

其中，为滚转角变化率、俯仰角变化率和偏航角变化率；

步骤二、将模型无人机A的状态量通过串口通讯模块输入到飞行控制模块中，通过控制律解算出控制量，驱动模型无人机A舵面和电机油门进行动作；

状态量包括模型无人机A的位置、姿态、速度和加速度等；

对于复合式无人机，控制律设计包括四旋翼模态下的控制律设计，固定翼模态下的控制律设计以及过渡模态的控制律设计；三个模态下的控制律均采用PID控制器。

对于四旋翼模态，控制律设计包括纵向外环高度控制-内环俯仰角控制；航向外环航向距离/速度控制-内环航向角控制；横向外环横向距离/速度控制-内环滚转角控制。

对于固定翼模态，控制律设计包括纵向外环高度-内环俯仰角控制；航向水平位置/航向控制；横向外环侧偏距离-内环滚转角控制；以及空速控制。

对于过渡模态的控制，对四旋翼模态的控制律以及固定翼模态的控制律按照控制要求进行一定的组合得到对于过渡模态的控制。

以高度控制为例，驱动模型无人机A运动的过程如下：

对于固定翼模态。首先，设定期望高度，与模型无人机A的当前高度进行比较，得到高度误差；然后，经过外环高度控制器(PID控制器)解算，得到固定翼模态下无人机达到期望高度所需要的期望俯仰角；将期望俯仰角与当前俯仰角进行比较，得到俯仰角误差，经过内环姿态控制器(PID控制器)解算，得到达到期望俯仰角所需要的升降舵舵量，计算得到的升降舵舵量输入到仿真数学模型的气动力计算模块，产生气动力及力矩，从而驱动模型无人机A的运动。

对于四旋翼模态。首先，设定期望高度，与模型无人机A的当前高度进行比较，得到高度误差；经过高度控制器(PID控制器)解算，得到四旋翼模态下无人机达到期望高度所需要的期望升降速度；将期望升降速度与当前升降速度进行比较，得到升降速度误差，经过升降速度控制器(PID控制器)解算，得到达到期望升降速度所需要的四旋翼电机油门，计算得到的四旋翼电机油门输入到仿真数学模型的电机模块，产生升力及力矩，从而驱动四旋翼模态下模型无人机A的运动。

对于过渡模态。首先在四旋翼模态下升到一定高度，然后固定翼电机油门开始加速。无人机空速达到切换速度后，开始减少四旋翼电机的油门，一直减为零；同时固定翼电机油门继续加速，达到正常飞行所需要的空速，通过固定翼模态下的高度控制实现升高。

步骤三、模型无人机A运动过程中的姿态角数据通过串口通讯模块传递给三轴转台的转台控制模块，转台控制模块控制舵机驱动三个串联的俯仰运动框架、滚转运动框架和偏航运动框架运动，进一步带动缩比样机，实现缩比样机的俯仰、滚转和偏航三自由度的姿态运动展示；

步骤四、模型无人机A运动过程中的控制数据通过串口通讯模块传递给三轴转台的单片机，单片机输出控制信号控制缩比样机的舵面偏转，四旋翼电机和固定翼电机的转动来展示模型无人机A的舵量，四旋翼电机和固定翼电机的油门大小；

控制数据包括舵量、四旋翼电机油门和固定翼电机油门等；

步骤五、飞行数据监测模块实时监测模型无人机A在飞行过程中的位置、姿态、速度、舵面偏角、固定翼电机的油门和四旋翼电机转速等状态量，绘制曲线变化并显示实时的状态量数据。

对于复合式无人机来说，由旋翼模态过渡到固定翼模态时，过渡模态的控制十分关键，飞行数据监测模块可以更直观的显示在过渡模态时模型无人机A的状态量变化。与三轴转台及缩比样机结合，对比验证飞行数据监测模块中显示的姿态角、舵面偏角、固定翼油机油门和电机转速的大小及变化趋势与三轴转台实际运动的姿态、缩比样机中舵面偏角、固定翼油机油门和电机转速的大小及变化趋势是否一致。

步骤六、通过UDP通信将模型无人机A的舵面动作，经纬度，高度、速度，俯仰角等信息传递给三维视景模块，从而实现模型无人机A起降的全流程视景展示。