紀(jì) 廣，郝建國，張中杰，高家隆

國防科技大學(xué) 智能科學(xué)學(xué)院，長沙 410073

四旋翼無人機(jī)由于具備攜帶方便、隱蔽性高、成本低廉、操作簡單和高效安全的特點(diǎn)，能夠應(yīng)用于多種場合，特別是在軍事領(lǐng)域，能夠?yàn)檫吘逞埠?、作?zhàn)偵察和小型火力支援等場景提供有力保障。由于邊境情況復(fù)雜多變，利用無人機(jī)進(jìn)行巡航，要求行動高效、實(shí)時響應(yīng)、精確控制，本文提出利用數(shù)字孿生技術(shù)，針對無人機(jī)的飛行過程進(jìn)行仿真研究，能夠?qū)崿F(xiàn)無人機(jī)飛行與仿真同步進(jìn)行，從而提高無人機(jī)飛行的行動效率。

數(shù)字孿生技術(shù)近年來發(fā)展十分迅速，世界著名咨詢公司Gartner在2016—2018年連續(xù)三年將數(shù)字孿生列為十大戰(zhàn)略科技發(fā)展趨勢[1-2]。為了實(shí)現(xiàn)在軌裝配技術(shù)在空間無人環(huán)境中的模擬和預(yù)測，最早由NASA在阿波羅計劃中提出“孿生”的概念[3]，該項目創(chuàng)建了兩個相同的飛行器，并將在地球運(yùn)行的飛行器稱之為孿生體?，F(xiàn)階段數(shù)字孿生技術(shù)多運(yùn)用于智能制造領(lǐng)域，鄧燁等提出了數(shù)字孿生戰(zhàn)場的建設(shè)方案，從數(shù)字孿生的內(nèi)涵要義出發(fā)，構(gòu)建了相應(yīng)的體系架構(gòu)[4]，是對數(shù)字孿生運(yùn)用于軍事領(lǐng)域的初步探討。吳東陽等對四旋翼飛行器的數(shù)字孿生系統(tǒng)做出設(shè)計[5]，對系統(tǒng)可行性進(jìn)行了分析，從工程應(yīng)用上體現(xiàn)了數(shù)字孿生技術(shù)對無人機(jī)飛行仿真的重要作用。廣東工業(yè)大學(xué)介紹了一種多旋翼無人機(jī)數(shù)字孿生仿真平臺[6]，利用Unity、Ros、Matlab等工具實(shí)現(xiàn)對無人機(jī)的多尺度多維度仿真，為四旋翼無人機(jī)的數(shù)字孿生仿真提供了可行思路和案例示范。

通過上述研究可看出，數(shù)字孿生技術(shù)在軍事領(lǐng)域的無人機(jī)作戰(zhàn)研究方面擁有較為廣泛的應(yīng)用前景。本文借助數(shù)字孿生在交互性、實(shí)時性和精確性等方面的優(yōu)勢，為四旋翼無人機(jī)飛行過程進(jìn)行可行性方案設(shè)計。

1 四旋翼無人機(jī)飛行數(shù)字孿生系統(tǒng)架構(gòu)

當(dāng)前數(shù)字孿生技術(shù)多以北京航空航天大學(xué)陶飛團(tuán)隊提出的五維模型為基礎(chǔ)[7]，即物理、虛擬、行為、規(guī)則以及它們之間的連接。以北航數(shù)字孿生技術(shù)研究團(tuán)隊提出的通用參考架構(gòu)為基礎(chǔ)[8]，本文基于無人機(jī)操作系統(tǒng)對數(shù)字孿生系統(tǒng)進(jìn)行開發(fā)，其優(yōu)勢是系統(tǒng)成熟、功能全面、開發(fā)案例較多[9-10]。本章將基于案例研究設(shè)計四旋翼無人機(jī)飛行數(shù)字孿生系統(tǒng)架構(gòu)，對架構(gòu)中具體模塊進(jìn)行分析，并重點(diǎn)介紹數(shù)字孿生體仿真數(shù)據(jù)的流向及其作用，剖析該系統(tǒng)具備的基本功能及其研究意義。

如圖1所示為四旋翼無人機(jī)飛行數(shù)字孿生系統(tǒng)架構(gòu)，包含物理實(shí)體、數(shù)字孿生體、數(shù)據(jù)信息和服務(wù)四部分，各部分之間建立數(shù)據(jù)連接，在無人機(jī)飛行過程中能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)時交互。

圖1 四旋翼無人機(jī)飛行數(shù)字孿生系統(tǒng)架構(gòu)Fig.1 Flight digital twin system architecture of quadrotor UAV

1.1 物理實(shí)體

物理實(shí)體是數(shù)字孿生構(gòu)建的物理對象，是系統(tǒng)構(gòu)成的基礎(chǔ)。從層次結(jié)構(gòu)上來看，數(shù)字孿生系統(tǒng)下的物理實(shí)體可根據(jù)規(guī)模分為三個層級，即單元級、系統(tǒng)級和復(fù)雜系統(tǒng)級[11]，單元級是信息物理系統(tǒng)最小單元，系統(tǒng)級由多個單元級集成構(gòu)成，復(fù)雜系統(tǒng)級由多個系統(tǒng)級整合構(gòu)成，三者都具備基本的感知、決策、分析、執(zhí)行的數(shù)據(jù)閉環(huán)[12]。基于需求，本文研究單架無人機(jī)飛行過程，可視其為單元級信息物理系統(tǒng)。

1.2 數(shù)字孿生體

數(shù)字孿生體是物理實(shí)體在虛擬空間的映射，關(guān)鍵技術(shù)在于多領(lǐng)域多尺度融合建模[13]。以物理實(shí)體為原型，構(gòu)建高精度數(shù)字化模型，是數(shù)字孿生的內(nèi)涵要義所在。為了實(shí)現(xiàn)數(shù)字孿生體對物理實(shí)體的完整映射，需要從幾何、物理、行為和規(guī)則等多個方面在功能和結(jié)構(gòu)上相互集成，對模型進(jìn)行描述[8]。本架構(gòu)下的仿真系統(tǒng)支持無人機(jī)飛行過程中的虛擬模型運(yùn)行、界面顯示、動力學(xué)仿真和環(huán)境建模。

1.3 數(shù)據(jù)信息

數(shù)據(jù)信息是驅(qū)動孿生模型并進(jìn)行虛實(shí)交互的基礎(chǔ)，多項案例表明數(shù)字孿生系統(tǒng)的本質(zhì)在于融合數(shù)據(jù)對系統(tǒng)運(yùn)行的驅(qū)動，如懸臂式掘進(jìn)機(jī)的虛擬控制[14]、航空發(fā)動機(jī)的數(shù)字孿生裝配[15]以及高精密產(chǎn)品的裝配技術(shù)[16]等。四旋翼無人機(jī)飛行數(shù)字孿生系統(tǒng)運(yùn)行過程中將存在傳感器物理數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)、仿真數(shù)據(jù)和控制數(shù)據(jù)等。傳感器物理數(shù)據(jù)由飛行控制器內(nèi)的傳感器采集，歷史數(shù)據(jù)是無人機(jī)歷史飛行過程中儲存于系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，仿真數(shù)據(jù)是數(shù)字孿生體在仿真運(yùn)行過程中產(chǎn)生的狀態(tài)數(shù)據(jù)，控制數(shù)據(jù)是由服務(wù)端發(fā)送給實(shí)體無人機(jī)的控制指令數(shù)據(jù)。

1.4 服務(wù)

服務(wù)主要分為針對系統(tǒng)內(nèi)部功能運(yùn)行的功能性服務(wù)和為不同客戶定制不同業(yè)務(wù)需求的業(yè)務(wù)性服務(wù)[17]。功能性服務(wù)方面，主要包含地面信息系統(tǒng)和無人機(jī)攝像頭，地面信息系統(tǒng)用于獲取實(shí)體無人機(jī)的飛行實(shí)時位置，能夠在無人機(jī)任務(wù)模式的設(shè)定下劃定飛行路線，遇到突發(fā)情況，能臨時改變航點(diǎn)，指揮無人機(jī)臨時改變飛行路線；無人機(jī)攝像頭為指揮員傳遞飛行過程中的航拍畫面，能夠?yàn)橹笓]員發(fā)現(xiàn)可疑目標(biāo)提供保障。業(yè)務(wù)性服務(wù)是針對不同客戶的不同需求提供的開放性接口，可以通過系統(tǒng)下的發(fā)布訂閱模式和客戶端/服務(wù)器模式實(shí)現(xiàn)。

1.5 連接

連接能夠促進(jìn)物理實(shí)體、數(shù)字孿生體和服務(wù)端之間進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，同步運(yùn)行[8]。各部之間的數(shù)據(jù)通過電臺傳送，傳感器物理數(shù)據(jù)包含無人機(jī)的真實(shí)飛行數(shù)據(jù)，能實(shí)時傳遞回地面并驅(qū)動數(shù)字孿生體的仿真運(yùn)行；數(shù)字孿生體通過接收傳感器物理數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)，不斷更新狀態(tài)，并將仿真數(shù)據(jù)傳遞給系統(tǒng)；服務(wù)層通過對接收到的傳感器物理數(shù)據(jù)和仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析和融合處理，實(shí)時傳遞控制指令給物理實(shí)體，促進(jìn)系統(tǒng)的高效運(yùn)行。

1.6 數(shù)字孿生體仿真數(shù)據(jù)的流向及其作用

數(shù)字孿生體的仿真數(shù)據(jù)是數(shù)字孿生體在虛擬環(huán)境下同步仿真運(yùn)行產(chǎn)生的狀態(tài)數(shù)據(jù)，具體包含速度、加速度、位置、滾轉(zhuǎn)角、俯仰角和偏航角等。其在數(shù)字孿生系統(tǒng)下的流向如圖2所示。

圖2 仿真數(shù)據(jù)流程圖Fig.2 Simulation data flow

仿真數(shù)據(jù)和傳感器物理數(shù)據(jù)交互融合后的數(shù)據(jù)將被系統(tǒng)存儲，進(jìn)入歷史數(shù)據(jù)庫，同時傳遞給外部控制程序，控制程序通過對數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析，調(diào)整對無人機(jī)的控制參數(shù)，并以控制指令的形式輸出給無人機(jī)，達(dá)到穩(wěn)定精準(zhǔn)飛行效果。

數(shù)字孿生體是對實(shí)體無人機(jī)的精準(zhǔn)化數(shù)字映射，是指揮員遠(yuǎn)程操控?zé)o人機(jī)直觀形象的可視化表達(dá)，指揮員能夠通過對無人機(jī)數(shù)字孿生體運(yùn)行的操作指揮實(shí)現(xiàn)對實(shí)體無人機(jī)的遠(yuǎn)程精準(zhǔn)控制。因此，仿真數(shù)據(jù)不僅僅是虛實(shí)無人機(jī)同步運(yùn)行下的精準(zhǔn)映射數(shù)據(jù)，能夠反映實(shí)體無人機(jī)的實(shí)時運(yùn)行狀態(tài)，也是指揮員決策輸出的數(shù)據(jù)表達(dá)，能夠提高指揮員對無人機(jī)遠(yuǎn)程操控的精準(zhǔn)度和高效性。

1.7 數(shù)字孿生系統(tǒng)的功能

構(gòu)建四旋翼無人機(jī)飛行數(shù)字孿生系統(tǒng)，主要基于以下幾點(diǎn)功能需求：

（1）實(shí)現(xiàn)對實(shí)體無人機(jī)遠(yuǎn)程精準(zhǔn)控制。通過對數(shù)字孿生體狀態(tài)進(jìn)行觀察，實(shí)現(xiàn)對遠(yuǎn)程無人機(jī)的狀態(tài)監(jiān)控，指揮員能夠根據(jù)數(shù)字孿生體的飛行狀態(tài)及時進(jìn)行控制調(diào)整，并能根據(jù)需求實(shí)時在線更改無人機(jī)飛行路線，達(dá)到對無人機(jī)遠(yuǎn)程操縱并提高控制精度的目的。

（2）實(shí)現(xiàn)對實(shí)體無人機(jī)全面性能評估。為了滿足各類場景的特殊需求，需要開發(fā)不同型號無人機(jī)，構(gòu)建其數(shù)字孿生體，數(shù)字孿生系統(tǒng)可以對無人機(jī)性能作出全面評估，根據(jù)不同性能需求適時作出方案改進(jìn)，提升無人機(jī)開發(fā)效率。

（3）實(shí)現(xiàn)對實(shí)體無人機(jī)綜合操作演練。對多無人機(jī)進(jìn)行協(xié)同操作演練一直是比較復(fù)雜的任務(wù)，利用無人機(jī)飛行數(shù)字孿生系統(tǒng)對無人機(jī)進(jìn)行協(xié)同控制和虛擬調(diào)試，并根據(jù)外部控制程序?qū)θ蝿?wù)實(shí)現(xiàn)實(shí)時規(guī)劃，能夠?yàn)闊o人機(jī)綜合操作演練提供保障。

1.8 數(shù)字孿生系統(tǒng)的意義

通過對實(shí)體無人機(jī)構(gòu)建精準(zhǔn)化映射數(shù)字孿生體，并基于滿足物理屬性的虛擬環(huán)境進(jìn)行仿真運(yùn)行，能夠?qū)崿F(xiàn)對無人機(jī)飛行全生命周期的仿真推演，從理論上和實(shí)踐上具備如下意義：

（1）為無人機(jī)提供了虛實(shí)交互運(yùn)行的平臺。相較于傳統(tǒng)仿真技術(shù)而言，無人機(jī)飛行數(shù)字孿生系統(tǒng)更能滿足無人機(jī)飛行過程中的虛實(shí)交互，促進(jìn)對實(shí)體無人機(jī)飛行控制過程中的實(shí)時推演，從而提升對實(shí)體無人機(jī)飛行控制的可靠度、精準(zhǔn)度和效率。

（2）促進(jìn)數(shù)字孿生技術(shù)在無人機(jī)飛行上的實(shí)際應(yīng)用。數(shù)字孿生技術(shù)應(yīng)用于無人機(jī)還有較大的開發(fā)空間，從無人機(jī)的飛行控制著手，為開發(fā)能夠執(zhí)行更多元化任務(wù)的無人機(jī)數(shù)字孿生系統(tǒng)做出初步探索。

（3）增加無人機(jī)遠(yuǎn)程飛行控制下的輔助決策手段。通過數(shù)字孿生系統(tǒng)的反饋和仿真推演，不斷增加對實(shí)體無人機(jī)的精準(zhǔn)化操作，并通過外部控制程序?qū)崟r推演輸出可行性控制方案，為指揮員提供輔助決策。

2 數(shù)字孿生建模

構(gòu)建高保真的數(shù)字信息模型是數(shù)字孿生建模的基礎(chǔ)[11]，如圖3所示為四旋翼無人機(jī)飛行數(shù)字孿生系統(tǒng)架構(gòu)下數(shù)字孿生模型構(gòu)建圖，從幾何、物理、行為和規(guī)則等四個維度對模型進(jìn)行構(gòu)建。

圖3 數(shù)字孿生模型構(gòu)建圖Fig.3 Construction diagram of digital twin model

物理實(shí)體和數(shù)據(jù)信息分別為數(shù)字孿生體的構(gòu)建提供物理特征信息和數(shù)據(jù)特征信息。幾何模型的構(gòu)建基于物理實(shí)體的外部特征，構(gòu)建以后將三維模型轉(zhuǎn)換為輕量化描述文件，是數(shù)字孿生體可視化三維特征的基礎(chǔ)；物理模型是對數(shù)字孿生體的動力學(xué)描述，是在仿真系統(tǒng)中運(yùn)動表達(dá)的基礎(chǔ)；行為模型是對數(shù)字孿生體穩(wěn)定飛行、實(shí)時控制的基礎(chǔ)；規(guī)則模型為數(shù)字孿生體在仿真過程中執(zhí)行與物理實(shí)體相對應(yīng)任務(wù)的實(shí)現(xiàn)提供規(guī)則約束。

2.1 幾何模型

數(shù)字孿生對幾何虛擬模型的構(gòu)建力求精準(zhǔn)，要求外觀外形、零件尺寸和材料類型等都與物理實(shí)體保持一致。幾何模型構(gòu)建借助三維繪圖軟件進(jìn)行設(shè)計，依據(jù)實(shí)體模型進(jìn)行等比例構(gòu)造，后續(xù)根據(jù)現(xiàn)實(shí)物理條件設(shè)置無人機(jī)的位置坐標(biāo)、慣性力矩、材料等參數(shù)，并將模型轉(zhuǎn)換為輕量化的文件表達(dá)格式，以支持系統(tǒng)操作調(diào)用。構(gòu)建流程如圖4所示。

圖4 幾何模型構(gòu)建流程圖Fig.4 Geometric model construction process

2.2 物理模型

四旋翼無人機(jī)飛行原理已有大量學(xué)者進(jìn)行研究，為無人機(jī)飛行驅(qū)動提供了基礎(chǔ)，在此基礎(chǔ)上，通過發(fā)布訂閱機(jī)制，可以為無人機(jī)執(zhí)行各項任務(wù)進(jìn)行相應(yīng)的開發(fā)。對于物理模型的構(gòu)建，除了基礎(chǔ)的無人機(jī)動力學(xué)模型以外，還可引入風(fēng)、重力等自然因素，增強(qiáng)對現(xiàn)實(shí)環(huán)境的仿真度。本文在仿真環(huán)境中實(shí)現(xiàn)虛擬場景的構(gòu)建和三維顯示，能夠盡可能地提高物理模型的可信度。將仿真環(huán)境下的無人機(jī)視為六自由度的剛體，其動力模型圖[18]如圖5所示。

圖5 四旋翼無人機(jī)動力模型圖Fig.5 Quadrotor UAV power model diagram

圖5中，G為重力；R為機(jī)身所受阻力；Fi為旋翼產(chǎn)生的氣動力；Mi為氣動力矩。根據(jù)牛頓第二定律和歐拉方程[19-20]可得式（1）、式（2）：

式中，m是無人機(jī)的質(zhì)量；V和ω分別表示線速度和角速度；J是無人機(jī)的慣性矩陣；ri表示從重心到旋翼i的矢量。

將Fi分解為旋翼平面的推力Hi和旋翼垂直面的阻力Ti，將Mi分解為滾動力矩Mri和阻力力矩Mdi，可得式（3）：

式中，ωi為第i個旋翼的角速度；p為線速度在旋翼平面內(nèi)的投影；eZ為Z軸方向的單位向量；o為轉(zhuǎn)向系數(shù)，逆時針為1，順時針為-1；CH、CT、CR、CD為常數(shù)，其值為式（4）所示：

式中，ρ為空氣密度；n為螺旋槳數(shù)；l為旋長；d為旋翼直徑；Ch0、Ct0、Cr0分別為靜態(tài)阻力系數(shù)、靜態(tài)拉力系數(shù)和靜態(tài)力矩系數(shù)；k為旋翼升力曲線曲率；θa和θb分別為槳葉根部俯仰角和槳葉扭轉(zhuǎn)角。

2.3 行為模型

行為模型能夠?yàn)闊o人機(jī)提供相應(yīng)的控制回路，保證無人機(jī)的平穩(wěn)飛行，以執(zhí)行相關(guān)任務(wù)。結(jié)合四旋翼無人機(jī)飛行控制案例[21]，設(shè)計行為模型下雙閉環(huán)串級PID控制回路，如圖6所示。

圖6 雙閉環(huán)串級PID控制回路Fig.6 Double closed loop cascade PID control loop

圖6中，位置PID控制器的輸入與無人機(jī)垂直高度坐標(biāo)關(guān)聯(lián)，其值為設(shè)定目標(biāo)高度與實(shí)際飛行高度的差值，控制器的輸出為垂直方向的加速度；姿態(tài)PID控制器的輸入與無人機(jī)水平方向的坐標(biāo)關(guān)聯(lián)，其值為無人機(jī)的滾轉(zhuǎn)角、俯仰角、偏航角在水平方向設(shè)定目標(biāo)值與實(shí)際值得差值，控制器的輸出為水平方向的加速度；通過位置解算和姿態(tài)解算，將分配到各方向的輸入量轉(zhuǎn)化為PWM控制信號，發(fā)送到電機(jī)，實(shí)現(xiàn)對電機(jī)的控制，保證無人機(jī)的飛行控制精度。

2.4 規(guī)則模型

基于四旋翼無人機(jī)需要執(zhí)行的飛行任務(wù)，制定規(guī)則模型，通過規(guī)則約束保證任務(wù)執(zhí)行精度，其流程如圖7所示。

圖7 規(guī)則模型執(zhí)行流程圖Fig.7 Rule model execution process

無人機(jī)根據(jù)在邊境偵察獲取到的情報信息，飛往任務(wù)執(zhí)行地點(diǎn)。到達(dá)任務(wù)點(diǎn)后，判斷是否存在威脅，若存在威脅則優(yōu)先躲避威脅，若不存在威脅則優(yōu)先執(zhí)行任務(wù)，執(zhí)行任務(wù)以后，根據(jù)情報判斷是否完成任務(wù)，若完成任務(wù)則任務(wù)結(jié)束，可以返程，若沒有完成任務(wù)則繼續(xù)執(zhí)行任務(wù)。

3 孿生無人機(jī)巡航過程案例研究

在數(shù)字孿生模型構(gòu)建完成的基礎(chǔ)上，利用ROS系統(tǒng)、Gazebo仿真器、上位機(jī)和QGC地面站聯(lián)合進(jìn)行無人機(jī)巡航仿真，研究運(yùn)用到的實(shí)體無人機(jī)，其型號為DJI F450，包含機(jī)架、螺旋槳、電機(jī)、電池等基礎(chǔ)配件，搭載的飛行控制器為pixhawk2.4.8，傳感器包括GPS以及內(nèi)置于飛行控制器的三軸陀螺儀、三軸加速度計、三軸磁力計和氣壓計等，能夠?qū)崟r采集無人機(jī)的速度、加速度、位置和姿態(tài)等數(shù)據(jù)，電臺采用輕便型圖傳電臺TS832和RC832。

3.1 無人機(jī)巡航流程

無人機(jī)巡航流程如圖8所示。指揮員在地面站設(shè)定巡航路線，地面站同時將航線上傳給實(shí)體無人機(jī)和孿生無人機(jī)，實(shí)體無人機(jī)通過攝像頭偵察將巡航畫面?zhèn)鬟f給指揮員，孿生無人機(jī)在獲取實(shí)體無人機(jī)數(shù)據(jù)實(shí)時更新的同時，將仿真數(shù)據(jù)傳遞給仿真系統(tǒng)，仿真系統(tǒng)通過虛實(shí)融合數(shù)據(jù)驅(qū)動，將無人機(jī)虛擬運(yùn)行的可視化界面實(shí)時傳遞給指揮員。

圖8 無人機(jī)巡航流程圖Fig.8 UAV cruise process

3.2 數(shù)字孿生體模型運(yùn)行

模型參數(shù)設(shè)置完成以后，對模型進(jìn)行仿真運(yùn)行，基于ROS系統(tǒng)、上位機(jī)、Gazebo和實(shí)體無人機(jī)進(jìn)行的聯(lián)合仿真，如圖9所示。

圖9 無人機(jī)聯(lián)合仿真Fig.9 UAV joint simulation

實(shí)體無人機(jī)為圖左半顯示界面，孿生無人機(jī)為圖右半顯示界面，實(shí)體無人機(jī)與孿生無人機(jī)同步運(yùn)行，右半仿真顯示界面由三部分組成，分別為地面站顯示界面，指令窗口顯示界面和Gazebo仿真顯示界面。地面站顯示界面主要為指揮員提供實(shí)體無人機(jī)巡航路線劃定功能，在無人機(jī)運(yùn)行以后能夠顯示實(shí)體無人機(jī)巡航過程中的位置、速度和加速度等參數(shù)；指令窗口可以通過話題發(fā)布訂閱模式，在線實(shí)現(xiàn)無人機(jī)已定制任務(wù)功能；Gazebo仿真顯示界面為孿生無人機(jī)的仿真運(yùn)行提供可視化界面，同時能夠?qū)崟r顯示孿生無人機(jī)的各項仿真參數(shù)。

無人機(jī)的巡航路線如圖10所示，指揮員可以在地面站軟件QGroundControl中進(jìn)行規(guī)劃，巡航過程中實(shí)體無人機(jī)的模式設(shè)為任務(wù)模式，優(yōu)勢是無需指揮員使用遙控對無人機(jī)進(jìn)行操縱，無人機(jī)可根據(jù)航線設(shè)定自行飛行。無人機(jī)按照規(guī)劃路線執(zhí)行任務(wù)過程中，遇到突發(fā)情況，指揮員可首先在地面站將無人機(jī)模式設(shè)置為盤旋狀態(tài)，然后更改航線規(guī)劃，重新切換為任務(wù)模式以后，無人機(jī)將按照新航線執(zhí)行任務(wù)。

圖10 無人機(jī)巡航路線Fig.10 UAV cruise route

3.3 仿真數(shù)據(jù)分析

實(shí)體無人機(jī)整個巡航過程中，高度參數(shù)如圖11所示，設(shè)定無人機(jī)目標(biāo)飛行高度3 m，實(shí)際飛行高度波動較小，控制較精準(zhǔn)。

圖11 實(shí)體無人機(jī)運(yùn)行高度參數(shù)Fig.11 Operating altitude parameters of physical UAV

根據(jù)孿生無人機(jī)GPS傳回數(shù)據(jù)，繪制孿生無人機(jī)巡航過程中的經(jīng)緯度二維擬合曲線以及經(jīng)緯高三維擬合曲線，如圖12所示，經(jīng)過分析可以得出，與無人機(jī)實(shí)際巡航路線相對比，孿生無人機(jī)的飛行軌跡與指揮員劃定航線基本吻合，符合數(shù)字孿生虛實(shí)交互的控制需求。

圖12 孿生無人機(jī)巡航過程中的經(jīng)緯度二維擬合曲線以及經(jīng)緯高三維擬合曲線Fig.12 Two dimensional fitting curve of longitude and latitude and three-dimensional fitting curve of longitude and latitude height during twin UAV cruise

巡航過程中，無人機(jī)的姿態(tài)角變化如圖13所示，其中包含無人機(jī)運(yùn)行過程中的滾轉(zhuǎn)角、俯仰角和偏航角參數(shù)，每一次波動代表在不同航點(diǎn)執(zhí)行了換向和變速等動作。

圖13 無人機(jī)飛行中滾轉(zhuǎn)角、俯仰角、偏航角參數(shù)Fig.13 Parameters of roll angle,pitch angle and yaw angle of UAV in flight

從參數(shù)圖可以看出，無人機(jī)飛行過程中狀態(tài)平穩(wěn)，能夠以較高精度完成任務(wù)，實(shí)時響應(yīng)較為及時，虛實(shí)模型交互進(jìn)行。將無人機(jī)運(yùn)行數(shù)據(jù)以歐拉角形式表示，參數(shù)如圖14所示。

圖14 歐拉角表示的滾轉(zhuǎn)角、俯仰角、偏航角參數(shù)Fig.14 Parameters of roll angle，pitch angle and yaw angle expressed by Euler angle

無人機(jī)濾波前后的真空速如圖15所示，分析可知無人機(jī)飛行過程中較為平穩(wěn)，在各巡航點(diǎn)轉(zhuǎn)向過程中速度變化較為緩和，基本滿足精準(zhǔn)可控的現(xiàn)實(shí)需求。

圖15 無人機(jī)濾波前后的真空速Fig.15 Vacuum velocity before and after UAV filtering

根據(jù)對無人機(jī)各項仿真數(shù)據(jù)的分析對比，可以看出，數(shù)字孿生技術(shù)下的無人機(jī)運(yùn)行系統(tǒng)，能夠做到虛實(shí)結(jié)合，較為契合地滿足無人機(jī)巡航過程中行動高效、實(shí)時響應(yīng)、精確控制的需求，也驗(yàn)證了數(shù)字孿生體的精準(zhǔn)映射功能和四旋翼無人機(jī)飛行數(shù)字孿生系統(tǒng)的可行性。

4 結(jié)束語

本文對四旋翼無人機(jī)飛行過程進(jìn)行了數(shù)字孿生系統(tǒng)搭建，并從數(shù)字孿生技術(shù)的內(nèi)涵要義出發(fā)，構(gòu)建了系統(tǒng)下精細(xì)化的數(shù)字孿生模型，最后驗(yàn)證了虛實(shí)的交互性、模型的精準(zhǔn)性和系統(tǒng)的可行性，完成了數(shù)字孿生技術(shù)對無人機(jī)案例的實(shí)踐應(yīng)用。

后續(xù)工作將對數(shù)字孿生系統(tǒng)下的人機(jī)交互能力進(jìn)一步探索，并對數(shù)據(jù)融合中遇到的難點(diǎn)進(jìn)行重點(diǎn)攻關(guān)，從作戰(zhàn)需求出發(fā)，為無人機(jī)執(zhí)行多樣化任務(wù)開發(fā)更加多元化的功能與應(yīng)用。