矢量共軸雙旋翼無人機的設計與仿真研究

麥偉圖 陳元電 施振華 蘇成悅 徐勝

摘? 要：設計了一款新型的具有矢量定向機構的共軸雙旋翼無人機。在Webots移動機器人仿真軟件的環境下完成對矢量共軸雙旋翼無人機的實體造型與動力學建模，基于ROS機器人操作系統編寫了矢量共軸雙旋翼無人機的飛控程序，引入了雙目定位算法進行空間定位。通過仿真實驗驗證了矢量共軸雙旋翼無人機機構、飛控程序和雙目定位算法的可行性，對快速開發新型無人機飛控和接入新型傳感器有參考價值。

關鍵詞：矢量共軸；Webots仿真軟件；ROS機器人操作系統；飛行仿真；雙目定位

中圖分類號：TP273+.4；TP391.9? ? 文獻標識碼：A? ? 文章編號：2096-4706（2023）01-0145-06

Research on Design and Simulation of Vector Coaxial Two-Rotor UAV

MAI Weitu1， CHEN Yuandian1， SHI Zhenhua1，2， SU Chengyue1， XU Sheng1

（1.School of Physics and Optoelectronic Engineering， Guangdong University of Technology， Guangzhou? 510006， China;

2.Guangzhou Jiechao Technology Co.， Ltd.， Guangzhou? 510006， China）

Abstract： A new coaxial twin-rotor UAV with vector orientation mechanism is designed in this paper. In the environment of Webots mobile robot simulation software， the solid modeling and dynamic modeling of vector coaxial two-rotor UAV are completed. Based on the ROS robot operating system， the flight control program of the vector coaxial twin-rotor UAV is compiled， and the binocular positioning algorithm is introduced for spatial positioning. The feasibility of the mechanism， flight control program and binocular positioning algorithm of vector coaxial twin-rotor UAV is verified by simulation experiments. It has reference value for rapid development of new UAV flight control and access to new sensors.

Keywords： vector coaxial; Webots simulation software; ROS robot operating system; flight simulation; binocular positioning

0? 引? 言

雙旋翼無人機具有垂直起降、懸停和結構緊湊等特點。它的子類共軸雙旋翼無人機（Coaxial Helicopter， CH）越來越被重視。西科斯基公司的“密碼”系列共軸雙旋翼概念機[1]，NASA在火星上的“機智號”共軸雙旋翼式無人機[2]；中智航的TD220和T333共軸雙旋翼無人機[3]，中航工業的“絕影8”高速共軸小型無人機[4]，北航研制的共軸海鷗[5]等，共軸雙旋翼無人機得到了廣泛的研究。

無人機的姿態和飛行控制前期研究可以通過仿真實現。Xiao等提出了一種基于ROS（Robot Operating System）、Gazebo和PX4的平臺來定制多旋翼無人機的仿真[6]；García等實現了基于PixHawk、PX4、外圍設備的旋翼無人機和Gazebo結合的仿真平臺和測試方法[7]；Hu等結合了Simulink和xPC技術設計了一款無人機半實物仿真系統[8]。仿真系統可以縮短開發周期，降低開發成本。Webots是Cyberbotics公司開發的機器人仿真軟件，其與ROS結合發展出Webots_ros接口，主要應用于地面機器人[9]，在無人機領域少有應用。視覺慣性導航的研究取得進展，Shen提出了開源雙目視覺慣導SLAM方案的VF（Vins-Fusion）算法，可以實現無人機和車，AR/VR的精確自主定位[10]；孫希君等實現了ORB-SLAM2與慣性導航系統解算卡爾曼濾波融合的方法[11]。

本文設計和實現了一種結構簡潔和可靠的矢量共軸雙旋翼無人機（Vector Coaxial Helicopter， VCH），搭建了基于ROS與Webots平臺的共軸無人機的仿真環境，在ROS環境下自編了VCH的飛控程序，利用簡便的動力學建模環境與開源算法高效地完成了VCH的飛行姿態控制與定位仿真。

1? Webots開發軟件

Webots是一款開源的多平臺機器人仿真軟件，主要功能是機器人的建模、控制與仿真，用于開發、測試和驗證機器人算法。它提供了一個快速建模環境，允許用戶創建三維的虛擬世界與物理性質，如質量、關節和摩擦系數等。Webots支持多種虛擬傳感器，如相機、雷達、力傳感器、位置傳感器、陀螺儀、慣性單元和GPS等20多種傳感器，用戶可以針對自己的需求設計仿真模型，編寫控制程序以實現對仿真模型的控制。Webots內核基于開源動力學引擎ODE和OpenGL，可以在Windows、Linux和macOS上運行，并且支持多種編程語言（C/C++，Python，Java，MATLAB）。

Webots內置了接近100種機器人模型，包括輪式機器人、人形機器人、爬行移動機器人、單臂移動機器人、雙臂移動機器人、無人機、機器狗和飛艇等，其中包括比較著名的Boston Dynamics Atlas、DJI Mavic 2 PRO、Nao、PR2、YouBot、UR、Turtlebot3 Burger等機器人。

由于Webots具有高逼真的仿真環境與簡便的操作方式，能準確地對機器人與其所在環境特性進行模擬，并復現模型質量、轉動慣量和摩擦系數等各種物理屬性，能更加真實地還原目標的實際運動情況，本文選擇Webots作為實驗仿真環境。

2? VCH機械結構設計

VCH的機械結構分為機身、矢量控制模塊和動力模塊。其中機身用于承載傳感器與電池，連接矢量控制模塊；矢量控制模塊由兩個舵機驅動，用于控制動力模塊的方向；動力模塊由共軸反轉電機和旋翼構成，為無人機提供飛行動力。本文在Solidworks中完成了對VCH的建模并制造出實物，如圖1與圖2所示。

3? VCH動力學模型設計

本文通過Webots平臺完成了VCH的動力學模型的搭建。Node（節點）是Webots各物體的抽象單位，節點可以有子節點，節點之間存在繼承關系，設計過程中使用到的各節點功能如表1所示。本模型由多個節點組成，通過樹狀結構建立一個Robot節點，并對物理屬性節點（Physics）設置質量與重心，完成對無人機的動力學建模。

3.1? VCH各模塊與節點的連接

本模型以Robot節點作為整體，以機身作為邊界節點（Bounding object）來定義VCH的碰撞邊界。在Robot節點中下添加矢量控制模塊，動力模塊和各種虛擬傳感器等子節點。機身屬于無人機Robot節點的children部分，包含骨架，降落支腳，電池等部分，利用Transform節點將各個零件組合在一起；動力模塊包括共軸反轉電機，通過同軸的兩個旋轉發動機設備（Motor）進行組合建模；矢量控制模塊由結構件和兩個舵機構成。通過鉸鏈（HingeJoint）節點下的電機設備（Motor）實現對舵機動力性能的模擬，并對鉸鏈轉動軸和各種轉軸相關的物理參數進行設置，實現模塊之間的三維空間相對轉動運動。矢量控制模塊通過兩個舵機分別與機身和的動力模塊進行連接。本模型各節點連接圖如圖3所示。

3.2? 傳感器部分的設計

Webots提供豐富的傳感器，其中常用的傳感器功能如表2所示。本模型用到的虛擬傳感器有全球定位系統（GPS），慣性測量單元（Imu），陀螺儀（Gyro）和相機（Camera）。利用Shape節點設計傳感器的形狀，通過將Shape節點分別導入Transform節點，然后將GPS，Imu以及Gyro傳感器的Transform節點移動到無人機的機身中心，用于測量無人機相對于世界坐標系的位姿與速度信息。Camera傳感器的數量為2個，用于模擬雙目相機傳感器。為提供無遮擋的圖像信息，雙目相機傳感器放在機身的下方靠前的位置。在Webots中完成建模后的VCH如圖4所示。

4? 飛行控制程序設計

矢量控制模塊是通過俯仰和橫滾兩個舵機驅動兩個反向轉動無刷電機的方向，實現VCH的飛行。在懸停時，無人機能通過控制四個驅動電機實現八種運動：正反轉動的無刷電機同時加速或者減速可以實現無人機的垂直升降運動；正反轉動的無刷電機在進行差速運動時產生的扭矩差可以實現無人機的偏航運動；正反轉動的無刷電機在進行同速運行時，通過調節俯仰舵機或橫滾舵機的角度，可以實現無人機的俯仰運動或橫滾運動，運動的方向為飛行動力與重力的合力方向。四個電機的運動與對應的無人機運動狀態關系如表3所示。

4.1? PID控制算法

VCH的自穩控制算法使用串級PID控制算法。模擬PID算法離散化后的算數表達式如下：

（1）

式中：Kp為比例系數，Ki為積分系數，Kd為微分系數，e（n）為期望角度與實際角度之差。

本模型中基于串級PID飛行控制器實現的算法如下：高度估計使用的是單級PID，用戶輸入的高度信息與GPS數據之差作為輸入，經過單級PID更新后輸出油門的控制量；姿態控制采用雙級PID，角速度PID作為內環，角度PID作為外環，即P-PID[12，13]。外環的輸入為期望角度與實際測量角度之差，經過角度環PID更新之后輸出期望角速度；內環的輸入為期望角速度與實際測量的角速度之差，經過角速度環PID更新后輸出為電機的控制量。串級PID控制器的算法流程原理如圖5所示。

4.2? Webots_ros框架

ROS是一個開源的應用于機器人研發的元操作系統。它提供了操作系統應有的服務，包括底層設備控制，硬件抽象，常用函數的實現，進程間消息傳遞和包管理。它也提供用于獲取、編譯、編寫以及跨計算機運行代碼所需的工具和庫函數。ROS是一個分布式的進程框架，進程被封裝在易于被分享和發布的程序包和功能包中，提供了一種發布-訂閱式的通信框架用以簡單、快速地構建分布式計算系統，讓機器人的開發變得更加簡便。

Webots_ros使用ROS框架中的服務與消息，為開發者提供了ROS與Webots之間的通信程序，通過在Webots中選擇機器人robot的控制器為ros，在仿真啟動時會在roscore中發布和訂閱與傳感器、驅動器等相關的話題和服務，用于實現對其他功能包的通信。Webots_ros通信框架如圖6所示。

4.3? 基于ROS框架的飛行控制程序

基于ROS框架的VCH飛行控制程序分為四個部分，分別為初始化、傳感器信息讀取、自穩控制和主循環。在飛行控制器運行時，需要對無人機的傳感器與驅動器調用Webots_ros服務（service）進行初始化，實現使能的功能。在添加傳感器時，每一個傳感器都由用戶分配唯一的命名，通過一定的頻率將數據由對應的話題（topic）發布到ros中，飛行控制器通過訂閱相應的傳感器話題（topic）獲取傳感器的數據，然后調用回調函數對數據進行處理。

VCH的自穩系統在本飛行控制器上被集成在update（）函數中，其原理是：飛行控制器獲得傳感器關于俯仰（pitch），橫滾（roll）方向的角速度與角加速度，并設置這兩個方向的期望角速度與角加速度為0，即在無人機懸停時機體z軸的加速度方向與重力加速度方向重合且靜止。將測量值與期望值的差值通過串級PID的更新得出在pitch與roll方向的控制量，加上用戶設置的數據，然后通過動力分配函數將方向控制量轉化為每個電機的控制量，最后調用Webots_ros中的服務service設置各個電機的輸出值。

VCH的飛行控制器主循環的作用是通過ros：：spinonce（）函數處理訂閱的傳感器數據，將數據傳入update（）函數進行處理，處理完畢后將通過reset（）函數將變量的數據清零，進入下一次循環。整體程序控制流程如圖7所示。

5? 無人機雙目定位的實現

5.1? Vins-fusion算法

Vins-fusion是一種基于優化的多傳感器狀態估計器，是對Vins-Mono的拓展，支持多種視覺慣性傳感器的融合（如僅雙目相機，雙目相機+IMU以及單目相機+IMU等），可以實現無人機，汽車和AR/VR的精確自主定位。其特征有：在線時間校準，在線空間校準，多傳感器支持以及視覺循環閉合等。本模型采用Vins-fusion中基于雙目相機的實現方案為VCH提供視覺自主定位的功能，得出VCH實時的世界坐標，并記錄其空間運動軌跡。

5.2? 整體的通信框架

Vins-fusion功能包通過訂閱VCH中左右目相機的圖像信息，結合兩個相機之間的位姿轉換矩陣，對左右目相機圖像進行時間上的同步，進行雙目三角化得出路標點，利用后端非線性優化與閉環優化對相機的位姿與路標點進行優化，得出比較精確的相機位姿。

VCH在運動時，通過話題topic發布雙目相機獲取到的圖像，Vins節點在運行時訂閱雙目圖像的話題獲取圖像數據，在線優化雙目相機左右目之間的位姿變換矩陣，并進行進一步的處理。無人機與Vins節點通信的整體框架如圖8所示。

6? 實驗結果與分析

本文在Webots軟件下對VCH與飛行環境進行建模，如圖9所示。通過Webots_ros設計出針對Webots模型的，應用于ROS框架的飛控程序。利用Webots_ros中設置的話題和服務與開源定位算法Vins-Fusion進行通信，在對VCH進行飛行測試的過程中進行雙目定位，獲得其實時姿態與飛行軌跡，實現了Webots仿真環境下對新型無人機的自主定位與軌跡記錄的功能，并在Rviz軟件下顯示記錄的定位與軌跡數據，如圖10所示。

7? 結? 論

本研究實現了一款新型的具有矢量定向機構的共軸雙旋翼無人機，在Webots中完成實體造型與動力學建模，通過編寫基于ROS框架的飛行控制程序，實現了無人機的自主飛行，利用植入的雙目定位算法Vins-fusion，實現了無人機的自主定位與三維路徑軌跡的繪制，制作了實體樣機并試飛，驗證了這種研發方式的可行性和有效性。Webots使用圖形化操作進行建模，且場景樹會展開到所選擇的關節，便于修改模型的參數。在創建零部件眾多的模型時，使用Webots會比Gazebo和V-REP等仿真軟件更加方便；而ROS系統強大的開源生態環境也為研究帶來極大的方便。無人機仿真可以有效縮短飛行器及其飛行控制器的設計與調試時間，降低材料成本與試錯成本，提高研發的快速和安全性，本研究對快速開發新型無人機飛控和接入新型傳感器有很好的參考價值。

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作者簡介：麥偉圖（1995—），男，漢族，廣東佛山人，碩士研究生在讀，研究方向：嵌入式無人機與SLAM技術；陳元電（1977—），男，漢族，廣東肇慶人，講師，碩士，研究方向：機器人、人工智能、無線通信；通訊作者：蘇成悅（1961—），男，漢族，湖南長沙人，教授，博士，研究方向：應用物理、光電技術；徐勝（1976—），男，漢族，廣東梅州人，講師，碩士，研究方向：機器視覺與SLAM技術；施振華（1994—），男，漢族，廣東廣州人，軟件工程師，本科，研究方向：無人機技術。

收稿日期：2022-08-22