本申請涉及無人機領(lǐng)域，特別是涉及一種基于數(shù)字孿生的變槳距無人機仿真控制方法、無人機。

背景技術(shù)：

1、無人機作為新興研究領(lǐng)域，展現(xiàn)出強大的任務(wù)執(zhí)行能力，并應(yīng)用于各個領(lǐng)域。常見的旋翼無人機需要通過改變旋翼轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)控制力。由于轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)帶寬較低，導致常見旋翼無人機控制力調(diào)節(jié)較緩慢，從根本上限制了其機動性和穩(wěn)定性。相比之下，變槳距無人機可以直接通過舵機調(diào)節(jié)旋翼的攻角，從而大幅提高控制力的響應(yīng)帶寬，具有高機動的特點。此外，由于其攻角可以為負數(shù)，變槳距無人機可以輕松實現(xiàn)高機動飛行。

2、現(xiàn)有技術(shù)少有針對變槳距無人機的高機動控制研究與部署應(yīng)用，以解決現(xiàn)有技術(shù)存在的機動控制與部署問題。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、基于此，有必要針對上述技術(shù)問題，提供一種基于數(shù)字孿生的變槳距無人機仿真控制方法、無人機。

2、第一方面，本發(fā)明實施例提出一種基于數(shù)字孿生的變槳距無人機仿真控制方法，所述方法包括：

3、在仿真環(huán)境中構(gòu)建變槳距無人機的數(shù)字孿生體；所述數(shù)字孿生體包括動力學仿真模型、電機-槳葉的功耗仿真模型以及電池仿真模型；

4、基于所述數(shù)字孿生體的仿真飛行數(shù)據(jù)作為訓練數(shù)據(jù)，對所述變槳距無人機的控制模型進行訓練；

5、將訓練好的控制模型部署至所述變槳距無人機后，使用所述變槳距無人機的實際位姿數(shù)據(jù)作為輸入，輸出所述變槳距無人機的油門指令和角速度指令。

6、在一些實施例中，構(gòu)建所述動力學仿真模型包括：

7、獲取所述變槳距無人機的受力分析式；

8、基于受力分析式，利用葉素動量理論構(gòu)建得到所述動力學仿真模型。

9、在一些實施例中，所述動力學仿真模型為：

10、

11、其中， t為槳葉的升力， d為槳葉的阻力， ρ為空氣密度， v為氣流坐標相對槳葉的入流速度，為槳葉角度，和分別為簡化后的推力與轉(zhuǎn)矩系數(shù)。

12、在一些實施例中，構(gòu)建所述電機-槳葉的功耗仿真模型包括：

13、基于所述動力學仿真模型，獲得電機-槳葉組合的瞬時功耗；

14、基于所述瞬時功耗，構(gòu)建得到所述電機-槳葉的功耗仿真模型。

15、在一些實施例中，所述電機-槳葉的功耗仿真模型為：

16、

17、其中，為第 i個槳葉的角度和瞬時功耗的函數(shù)， p為電機-槳葉的瞬時功耗，為第 i個槳葉的角度。

18、在一些實施例中，構(gòu)建所述電池仿真模型包括：

19、采集不同變槳距無人機飛行過程中的電池電壓、瞬時功率和能量消耗；

20、根據(jù)所述電池電壓、瞬時功率和能量消耗之間的關(guān)系進行曲線擬合，并提取擬合參數(shù)，將所述擬合參數(shù)用于構(gòu)建電池仿真模型。

21、在一些實施例中，所述電池仿真模型為：

22、

23、其中，為電池電壓，為槳葉角度，為能量消耗。

24、在一些實施例中，所述仿真飛行數(shù)據(jù)包括所述數(shù)字孿生體的自身位置、機體速度、機體角速度、姿態(tài)；所述將訓練好的控制模型部署至所述變槳距無人機后，使用所述變槳距無人機的實際位姿數(shù)據(jù)作為輸入，輸出所述變槳距無人機的油門指令和角速度指令包括：

25、基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建所述控制模型，所述控制模型包含輸入層，第一隱藏層，第二隱藏層，輸出層，所述輸入層用于輸入所述自身位置、機體速度、機體角速度、姿態(tài)，所述輸出層用于輸出所述變槳距無人機在不同狀態(tài)下的油門指令與角速度指令；

26、基于ppo的改良強化學習算法，利用所述仿真飛行數(shù)據(jù)對所述控制模型進行訓練。

27、第二方面，本發(fā)明實施例提出變槳距無人機，包括存儲器和處理器，所述存儲器存儲有計算機程序，所述處理器執(zhí)行第一方面所述的步驟。

28、第三方面，本發(fā)明實施例提出一種計算機可讀存儲介質(zhì)，其上存儲有計算機程序，所述處理器執(zhí)行所述計算機程序時實現(xiàn)第一方面所述的步驟。

29、上述方法、變槳距無人機和存儲介質(zhì)，通過在仿真環(huán)境中構(gòu)建變槳距無人機的數(shù)字孿生體；所述數(shù)字孿生體包括動力學仿真模型、電機-槳葉的功耗仿真模型以及電池仿真模型；基于所述數(shù)字孿生體的仿真飛行數(shù)據(jù)作為訓練數(shù)據(jù)，對所述變槳距無人機的控制模型進行訓練；將訓練好的控制模型部署至所述變槳距無人機后，使用所述變槳距無人機的實際位姿數(shù)據(jù)作為輸入，輸出所述變槳距無人機的油門和角速度指令，增強了變槳距無人機在不同任務(wù)和環(huán)境條件下的適應(yīng)能力，提升可變槳距無人機在高機動控制下的表現(xiàn)。

技術(shù)特征：

1.一種基于數(shù)字孿生的變槳距無人機仿真控制方法，其特征在于，所述方法包括：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，構(gòu)建所述動力學仿真模型包括：

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述動力學仿真模型為：

4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，構(gòu)建所述電機-槳葉的功耗仿真模型包括：

5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于，所述電機-槳葉的功耗仿真模型為：

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，構(gòu)建所述電池仿真模型包括：

7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述電池仿真模型為：

8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述仿真飛行數(shù)據(jù)包括所述數(shù)字孿生體的自身位置、機體速度、機體角速度、姿態(tài)；所述將訓練好的控制模型部署至所述變槳距無人機后，使用所述變槳距無人機的實際位姿數(shù)據(jù)作為輸入，輸出所述變槳距無人機的油門指令和角速度指令包括：

9.一種變槳距無人機，包括存儲器和處理器，所述存儲器存儲有計算機程序，其特征在于，所述處理器執(zhí)行所述計算機程序時，實現(xiàn)權(quán)利要求1至權(quán)利要求8中任一項所述的方法的步驟。

10.一種計算機可讀存儲介質(zhì)，其上存儲有計算機程序，其特征在于，所述計算機程序被處理器執(zhí)行時，實現(xiàn)權(quán)利要求1至權(quán)利要求8中任一項所述的方法的步驟。

技術(shù)總結(jié)
本申請涉及無人機領(lǐng)域，特別是涉及一種基于數(shù)字孿生的變槳距無人機仿真控制方法、無人機。所述方法包括：在仿真環(huán)境中構(gòu)建變槳距無人機的數(shù)字孿生體；所述數(shù)字孿生體包括動力學仿真模型、電機?槳葉的功耗仿真模型以及電池仿真模型；基于所述數(shù)字孿生體的仿真飛行數(shù)據(jù)作為訓練數(shù)據(jù)，對所述變槳距無人機的控制模型進行訓練；將訓練好的控制模型部署至所述變槳距無人機后，使用所述變槳距無人機的實際位姿數(shù)據(jù)作為輸入，輸出所述變槳距無人機的油門指令和角速度指令。本申請增強了變槳距無人機在不同任務(wù)和環(huán)境條件下的適應(yīng)能力，提升可變槳距無人機在高機動控制下的表現(xiàn)。

技術(shù)研發(fā)人員：汪治堃,郭世亮,傅政,趙世鈺
受保護的技術(shù)使用者：西湖大學
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/12/19