一种作业型旋翼飞行机器人实时仿真系统
阅读说明：本技术 一种作业型旋翼飞行机器人实时仿真系统 (Operation type rotor flying robot real-time simulation system ) 是由 丁力 阳应琴 于 2021-08-03 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种作业型旋翼飞行机器人实时仿真系统,包括：机体子系统以及传感器子系统,其特征在于：所述机体子系统包括机身子系统以及力和力矩子系统,所述力和力矩子系统通过对气动力、重力、力矩等的调节,控制所述机身子系统包括的速度、姿态、位置、角速度等状态,传感器数据子系统收集所述机身子系统各项数据,通过控制系统以及通信子系统,将控制信号传输至执行器子系统,执行器子系统对力和力矩子系统进行调节从而改变机身姿态,本发明功能覆盖了结构的选型、运动仿真、控制仿真、视觉定位仿真以及运动规划,能够模拟飞行机器人在实际环境下的运动状态,可虚拟仿真与实际飞行相结合,为用户提前预报飞行机器人的运动状态。(The invention discloses a real-time simulation system of an operation type rotor flying robot, which comprises: organism subsystem and sensor subsystem, its characterized in that: the robot body subsystem comprises a body subsystem and a force and moment subsystem, wherein the force and moment subsystem controls the speed, attitude, position, angular speed and other states of the body subsystem through the regulation of aerodynamic force, gravity, moment and the like, the sensor data subsystem collects various data of the body subsystem, a control signal is transmitted to the actuator subsystem through the control system and the communication subsystem, and the actuator subsystem regulates the force and moment subsystem to change the body attitude.)
技术领域
本发明涉及仿真系统，尤其涉及一种作业型旋翼飞行机器人实时仿真系统。
背景技术
仿真在现代飞行器的全寿命周期中有越来越重要的地位，而飞行器系统的多样性和复杂性使得仿真软件的开发日益复杂化，对软件开发的要求也越来越高。传统的建模和仿真系统开发方法已不能适应复杂软件系统的开发要求，软件质量难于保证，在开发过程中暴露的效率低下、结构混乱、重复性开发、可理解性和可维护性差等问题尤为突出，软件的重用一直处于一个很低的水平；而面向对象方法则为克服这些问题提供了良好的技术手段。
飞行机器人具有广阔的应用前景，主要体现在：1)能够迅速抵达地面机器人无法进入的特殊环境(如火灾、水灾、地震灾害现场)执行安装或回收作业设备等精细任务；2)能够实现对空中或地面目标的快速捕捉，从而可在极端环境、极端条件下完成对目标物的抓取任务；3)多台旋翼飞行机器人协同作业，能够完成较大负载的搬运、装配任务。具体来说，旋翼飞行机器人是由旋翼飞行器加装机械臂组成的系统，它能够在三维空间中自由运动，具有垂直起降、定点悬停、灵活性高、机动性强等特点，可以替代人完成高危环境信息获取与作业等任务。
然而在实际的飞行作业过程中，外界环境较为复杂，诸如风速，地形等都会对实际的飞行造成影响，在飞行作业过程中进行实时的调节需要极高的运算速率，当下还没有一种能够为用户提前预报飞行机器人运动状态的系统。
发明内容
本发明克服了现有技术的不足，提供一种作业型旋翼飞行机器人实时仿真系统。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案为：一种作业型旋翼飞行机器人实时仿真系统，包括：机体子系统以及传感器子系统，其特征在于：所述机体子系统包括机身子系统以及力和力矩子系统，所述力和力矩子系统通过对气动力、重力、力矩等的调节，控制所述机身子系统包括的速度、姿态、位置、角速度等状态，传感器数据子系统收集所述机身子系统各项数据，通过控制系统以及通信子系统，将控制信号传输至执行器子系统，执行器子系统对力和力矩子系统进行调节从而改变机身姿态。
本发明一个较佳实施例中，所述传感器数据子系统至少包括GPS、加速度计、气压计、陀螺仪、相机、雷达。
本发明一个较佳实施例中，所述通信子系统至少包括SPI，I2C,CAN,PWM,AD/DA,UART。
本发明一个较佳实施例中，所述控制系统包括控制软件系统以及三维环境子系统。
本发明一个较佳实施例中，所述传感器数据子系统通过三维环境子系统进行数据处理后，再将处理后数据发送至控制系统。
本发明一个较佳实施例中，所述控制系统还包括测试持续系统，所述控制系统获取的机身子系统各项数据，通过测试程序进行评估后，再传输至通信子系统。
本发明一个较佳实施例中，所述传感器子系统至少包括Ubox N8N、MPU6050、MS5611、LiDAR。
本发明一个较佳实施例中，所述执行器子系统包括螺旋桨系统、舵机系统、引擎电机系统。
本发明一个较佳实施例中，所述螺旋桨系统包括螺旋桨、电机、电调、电池。
本发明一个较佳实施例中，还包括环境子系统，所述三维环境子系统将传感器数据子系统以及环境子系统数据进行汇集处理。
本发明解决了背景技术中存在的缺陷，本发明具备以下有益效果：
(1)本发明通过结构的选型、运动仿真、控制仿真、视觉定位仿真以及运动规划，能够模拟飞行机器人在实际环境下的运动状态，可虚拟仿真与实际飞行相结合，为用户提前预报飞行机器人的运动状态。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图；
图1是本发明的优选实施例的系统结构图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的描述中，“实施例”、“一个实施例”、“一些实施例”、或“其他实施例”的提及表示结合实施例说明的特定特征、结构或特性包括在至少一些实施例中，但不必是全部实施例。如果说明书描述了部件、特征、结构或特性“可以”、“或许”或“能够”被包括，则该特定部件、特征、结构或特性不是必需被包括的。
飞行仿真系统的主要功能包括：无人飞行器动力学、运动学特性模拟与飞行环境特性模拟，机载传感器飞行运动环境模拟传感器特性模拟，飞行仿真数据显示与记录、地面检测与遥控/遥测终端模拟，输入输出通道接口驱动等。
飞行仿真系统的主要性能指标包括：实时性、仿真精度、接口类型和扩展能力等。其中不同功能所要求实时性不同，从0.1毫秒(传感器特性模拟)到1毫秒(动力学、运动学特性模拟)不等；系统数值仿真精度为2的负64次方；仿真系统要有丰富的接口与被测飞行控制系统、三轴电动转台、动静压模拟器、GPS仿真器等进行实时数据交换。除此之外，仿真系统要具有友好的人机界面，具有三维视景动画实时显示能力。
综上所述，实时性高、接口丰富和人机界面好是本系统的特点，其中最为关键的问题是如何确保系统的实时性。根据飞行仿真系统功能划分与性能平衡的设计原则，采用分布式结构模式。在这种结构模式下系统的实时性指标将分解到各功能节点和实时网络中，通过合理设计解决特性实时性问题。根据这一设计思想，将仿真系统分为无人机动力学、运动学特性(含飞行环境特性模拟)仿真节点，输入/输出信号处理(含传感器的仿真)节点，飞行全程综合实时显示与数据记录节点，电动转台与动静压模拟器节点，地面检测与药控/遥测终端模拟节点，高速数据交换网络和接口驱动与系统供电子系统等几部分。
如图1所示，一种作业型旋翼飞行机器人实时仿真系统，包括：机体子系统以及传感器子系统，机体子系统包括机身子系统以及力和力矩子系统，力和力矩子系统通过对气动力、重力、力矩等的调节，控制机身子系统包括的速度、姿态、位置、角速度等状态，传感器数据子系统收集机身子系统各项数据，通过控制系统以及通信子系统，将控制信号传输至执行器子系统，执行器子系统对力和力矩子系统进行调节从而改变机身姿态，控制系统包括控制软件系统以及三维环境子系统，传感器数据子系统通过三维环境子系统进行数据处理后，再将处理后数据发送至控制系统，控制系统还包括测试持续系统，控制系统获取的机身子系统各项数据，通过测试程序进行评估后，再传输至通信子系统，还包括环境子系统，三维环境子系统将传感器数据子系统以及环境子系统数据进行汇集处理。
优选的，所述传感器数据子系统包括GPS、加速度计、气压计、陀螺仪、相机、雷达。
优选的，通信子系统至少包括SPI，I2C,CAN,PWM,AD/DA,UART。
一实施例中，传感器子系统包括Ubox N8N、MPU6050、MS5611、LiDAR，以及高清相机。
一实施例中，执行器子系统包括螺旋桨系统、舵机系统、引擎电机系统，螺旋桨系统包括螺旋桨、电机、电调、电池，用于直接调节力与力矩子系统竖直。
本发明通过结构的选型、运动仿真、控制仿真、视觉定位仿真以及运动规划，能够模拟飞行机器人在实际环境下的运动状态，可虚拟仿真与实际飞行相结合，为用户提前预报飞行机器人的运动状态。
以上依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定技术性范围。
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