1、收稿日期：基金项目：中国铁路设计集团有限公司科技开发计划重点课题（）。作者简介：刘亚非（），男，年毕业于北方交通大学交通土建专业，工学学士，工程师，：。文章编号：（）开源 模拟器在测绘无人机中的应用刘亚非（中国铁路设计集团有限公司，天津）摘 要：为了获取一款适用于铁路勘察行业无人机研发需要的模拟器，进而减少无人机研发过程中的试飞频次，提高研发效率，基于目前开源市场较为流行的无人机固件系统 和地面站软件，在 框架基础上，把铁路勘察设计行业对无人机的需求植入到开源无人机固件程序算法，从而实现铁路勘察行业技术要素与开源无人机固件程序的融合。研究表明，开源 模拟器能够模拟出实测飞行的各种数据（如速度、
2、加速度、姿态、硬件状态等），模拟飞行日志可用于验证铁路无人机二次开发中硬件的实用性和软件逻辑的可行性。研究结果表明，开源 模拟器能够减少大量外场实测飞行的工作量，节约研发成本，提高整个研发团队的工作效率。关键词：无人机；模拟器；矩阵；欧拉方程；固件中图分类号：；文献标识码：开放科学（资源服务）标识码（）：（，）：，：；近年来，无人机在铁路勘察设计领域得到越来越多的应用。无人机具有快速高效、机动灵活、应用成本低等优势，但针对铁路勘察行业特点设计的专用无人机并不多见。飞行模拟器能够模拟无人机实测飞行，因而能够节约开发成本，大幅提高研发效率。目前，市场上的无人机模拟器主要用于飞手培训，如微软公司开发
3、的 仿真器，可支持多平台运行，可通过多个 接口实现数据读取、无人机控制、环境条件控制，大疆飞行模拟器是一款面向无人机仿真培训软件，基于 系统和大疆先进的飞控技术，能与开源 模拟器在测绘无人机中的应用：刘亚非多款大疆无人机及遥控器无缝衔接，能够提供从基础知识教学仿真训练以及作业场景练习，但该模拟器仅限于大疆型号无人机及相关设备。不难看出，无人机飞行模拟器通过计算机图形学技术实时模拟出飞行器地理位置和姿态相对应的连续的无人机飞行场景，形成一个逼真的飞行情景。以下对开源 模拟器的研发过程进行介绍。无人机飞行模拟控制的发展.无人机飞行姿态模拟的数学逻辑无人机飞行姿态估算是无人机设计开发的理论基础，一般
4、使用方向余弦矩阵法估算，姿态估算通常视无人机为绕自身质心转动的刚体，通过刚体转动的欧拉方程研究其姿态信息。采用 个三维坐标系，通常取起飞点为大地坐标原点（，），方向为北东地。设大地坐标系为，个轴向单位矢量分别为：|；|；|。设机体坐标系为，正方向为前右下，个轴向单位矢量分别为|；|；|。根据矢量运算的数量积定义，机体坐标系 单位矢量在大地坐标系 上的投影为|（，）（，）（，）（，）（，）（，）（，）（，）（，）|（）同理，大地坐标系 的三轴单位矢量在机体坐标系 上的投影为|（，）（，）（，）（，）（，）（，）（，）（，）（，）|（）无人机飞行姿态决定于 个欧拉角：横滚角（右滚为正）；俯仰角（抬
5、头为正）；航向角（机头在地面投影与正北方向夹角，俯视顺时针为正）。不难看出，三维空间的无人机无论处于何种飞行姿态，都可以由大地坐标 的初始状态通过 次旋转实现随机飞行姿态，有|（）方向余弦矩阵姿态估算方法在 开源文件 中，通过（）函数来实现。.无人机飞行姿态控制的实现芯片技术的发展使无人机控制技术产生了质的飞越，彻底改变了无人机“航模”的概念。以 位（框架）系列单片机为核心，加载 系列电子三轴加速度计、系列 位电子陀螺仪、系列电子加速度计磁力计、系列高精度电子气压高度计，构成了无人机飞控系统。飞控计算机获得无人机随机飞行的姿态数据后，依据姿态估算理论得到无人机飞行预期的飞行姿态数据，再通过 控
6、制理论实现对电子调速器（）的同步调节，从而达到对飞行姿态的精准控制。控制流程见图。图 控制流程 无人机模拟器的集成与二次开发.模拟器集成环境配置该模拟器基于目前开源市场最新的飞控固件.（截止 年底），建立仿真模拟环境之前，需要完成 固件编译环境的配置。其他插件 工 具 包 括：、编 译 器、.、，使用该铁 道 勘 察 年第 期工具需要配套相应的 开发环境，建议选择最新的 集成开发环境。采用安全缓冲区数据采集思路，具有作业风险低、建模精度高、数据冗余低的优势。.模拟器程序的二次开发（）模拟器仿真实质实际上，模拟器二次开发编译的是实际的飞控源代码，只不过仿真模拟时固件编译的目标是，和实物固件用的是
7、同一套源代码，二者的关系见图。当模拟飞行的脚本运行时，编译器会自动生成模拟固件，然后自动运行，当修改或者重新编写飞控代码时，修改的部分就会被编译仿真，这就是仿真模拟飞行能够验证软件逻辑可行性的原因。图 实物固件与模拟固件编译对比（）模拟脚本的配置和运行在“：本机名称”目录下创建一个新的文件夹，重命名为。在 文件夹中新建 文件，输入如下内容：“”，将这个文件保存为“”，并删除“”后缀，这样这个文件就变成一个可执行脚本文件。进入 终端，输入“”，模拟脚本执行情况见图。图 执行脚本文件若脚 本 文 件 运 行 结 果 为“”，则表明执行脚本成功。（）模拟固件编译该模拟固件是基于 开源的.系列固件，编
8、译器共需要编译处理 个文件，模拟固件编译界面见图。图 模拟固件编译界面若编译文件显示“”，则表示模拟固件编译成功。.二次开发注意事项由于开源的 代码需要其他开源项目支持，如、等若编译过程中出现报错，解决办法有以下几种。（）“：”，这个报错的意思是缺少一个叫“”的 库，解 决 办 法：打 开，输 入 代 码“”，然 后 安 装 该 库。采 用 背 向 散 射（）通信技术和无人机，设计远距离无源铁路监测信息采集系统，以降低铁路区间轨旁监测信息传输系统的建设成本和维护难度。（）“：”，这个报错是由于 环境内部使用了较新的 导致的，这时会出现编译实物固件时可以编译成功，但是无法仿真。解决方法：将 环境
9、内的 版本号降级，再删除“”文件夹，以防止之前编译产生的临时文件影响编译结果。（）“：，”，导致这个报错的原因是 文件夹中的之前编译的中间文件与本次编译冲突。解决办法：只需要将 文件夹删掉然后重新开始仿真即可。.模拟器程序创新点（）虚拟环境重新配置由于 环境内部使用了最新的 编译器，在 进 行 仿 真 的 时 候 会 报 错，需 要 重 新 运 行，将 插 件 列 表 中 的 、个安装插件包的版本改为“.”（原环境默认的是.系列版本），改完后重启电脑，此问题就能被解决。（）显示函数选择开源 模拟器在测绘无人机中的应用：刘亚非要想在开源地面站 中显示课题的内容，而又不影响其他主要数据的显示传递，
10、函数频率的选择至关重要，经过多次反复尝试，选择“（）”函数作为该软件显示本课题内容的函数，最终成 功 实 现 在中 显 示“”课题的内容。另外，无人机飞控与地面站之间的通信链路带宽有限，大部分采用 波特率的串口。飞控不可能一直向地面站发送信息，否则姿态解算很可能会出错。可采用每隔一定的时间发送一次，实现过程如下。选择函数：（），添加代码：（）（，“”），即可实现课题相关内容在 中的显示。（）修改 起始点位置修改飞控固件源码中的自动测试文件，将需要位置的经纬度（十进制）、海拔高度、初始航向等参数设置为变量，然后把该变量加入到脚本文件，通过脚本文件调用该变量，即可实现三维位置地图在该模拟器中的调用
11、。模拟器测试与评估.模拟飞行测试模拟固件编译成功后，软件将自动连接虚拟机。如果连接不成功，删除飞控源代码文件夹 下的 文件夹，重新编译仿真固件。此时，打开地面站软件，连接模式设置为，波特率选择，点击地面站连接按钮，直接点击弹出窗口的“”，模拟器连接地面站一般会成功。如果连接不成功，关闭 地面站，并关闭仿真环境，删除源代码中“”文件夹，重新运行仿真环境再试。模拟器连接地面站成功后，根据需要，可以把模拟仿真位置设置为地球上的任意地方，也可以根据任务要求修改初始航向。飞行模式为，定位形式为 模式，的值为.，定位良好，卫星数量 颗星，左侧下半部显示数据为模拟出的飞行姿态。然后，打开本地电脑文件夹 下的
12、 文件，添加了 个名称为“”、纬 度 为“.”、经 度 为“.”、海拔高度为、初始航向为 的位置点，在脚本文件中添加预先选定的位置：。若不能显示正确的 点，在“飞行计划”页面，点击右侧边栏中的“起始位置”，即可跳转到预先设置的位置（见图）。图 模拟飞行流程打开地面站，点击“飞行计划”功能菜单，进入航线规划页面，点击鼠标右键弹出功能选项菜单，按照菜单提示规划自己想要的航线，航线规划完成后点击页面右侧的“写入航点”和“保存航点文件”两个功能键，保存自己规划好的航线（因篇幅所限，不再具体讲解）。航线规划结束后，依次输入以下命令“”，此时飞机会按照既定规划航线完成飞行。图 中紫色航迹线为模拟飞行完成的
13、规划航线。模拟起飞时需要注意，固件不允许在自动航线模式下起飞。如果在自动航线模式下输入解锁命令，仿真环境将提示 （解锁失败）。正确的做法是先将飞控切换到自稳模式（目前有 多种飞行模式可以选择），然后解锁起飞，起飞后再切换到自动航线模式。.模拟器评估评估一款无人机飞行模拟器的性能，主要是验证该款模拟器是否能够逼真地模拟出无人机实际飞行时的各种要素，如飞行姿态、高度、速度、无线电遥控信号状态，导航定位信号状态等。实践表明，该款模拟器不但能够显示铁路无人机装备研发及应用“”课题的相关内容，而且飞行姿态等数据通过左侧画面显示出来，导航定位信息为 定位，定位状态良好（显示区右下角显示），值等于，卫星数量
14、为 颗，无线电信号良好，其他硬件信息也可在相应位置显示出来。采用相同的参数指标比较实测飞行和模拟飞行的加速度日志图像数据（见图），从 次日志的 个转弯加速度姿态图像来看，第 转弯处加速度差值为 ，第 转 弯 处 重 合，第 转 弯 处 差 值 为 ，第 转弯处差值为 ，不难看出，模拟飞行图像与实测飞行图像相互吻合度较高。（下转第 页）铁 道 勘 察 年第 期围堰外侧的位移。（）抽水过程中双排钢板桩的位移和内力变化最为明显，应特别关注此阶段围堰的稳定性。参考文献 郑瑞杰，彭鹏，郭劲 整体装配式钢板桩围堰在外海深水环境中的应用 施工技术，（）：郑国兵，黄朝煊，袁文喜，等 深厚淤泥中双排钢板桩结构安
15、全稳定性研究 水利水电科技进展，（）：侯永茂，王建华，顾倩燕 等 大跨度双排钢板桩围堰的变形特性分析 上海交通大学学报，（）：朱艳，石振明，卢耀如，等 海岸带特殊地质条件下双排钢板桩适用性案例分析 工程地质学报，（）：徐顺平，戴小松，张安政，等 软土地基双排钢板桩围堰稳定性分析及应用 施工技术，（）：罗毅，王建新，彭琦，等 海域双排钢板桩围堰与明挖基坑变形特性分析 水利与建筑工程学报，（）：赵挺生，周萌，唐菁菁，等 某钢板桩围堰施工监测与分析 结构工程师，（）：崔春义，黄建，孙占琦，等 不同水位下钢板桩围堰工作性状有限元分析 广西大学学报（自然科学版），（）：张政伟，雷啸，弓健，等 地震断裂带
16、高铁大跨拱桥深基坑钢板桩围堰支护试验与监测 水利水电技术，（）：胡安峰，陈博浪，应宏伟 土体本构模型对强度折减法分析基坑整体稳定性的影响 岩土力学，（）：，汤子扬，牛志国，陈春燕 在板桩码头分析中的应用 水利水运工程学报，（）：郑瑞杰，彭鹏，郭劲 整体装配式钢板桩围堰在外海深水环境中的应用 施工技术，（）：薛清鹏 基于土体硬化模型的紧邻铁路基坑变形分析 铁道工程学报，（）：，徐中华，王卫东 敏感环境下基坑数值分析中土体本构模型的选择 岩土力学，（）：，司鹏飞，田利勇，张雨剑，等 双排钢板桩围堰变形特性研究水运工程，（）：，（）：国家铁路局 铁路工程测量规范：北京：中国铁道出版社，（上接第 页）图 加速度图像对比 结语近年来，随着无人机技术地不断发展，无人机在铁道勘察领域的应用越来越广泛，同时，围绕无人机进行的二次开发利用项目也越来越多。无人机装备的研发需要多次的实际试飞验证，受实际试飞测试受天气、空域管制、飞行安全、炸机等各方面的限制，试飞成本非常高。因此，对于新研发的无人机，应首先在模拟环境上测试，这样不但能够有效地节约研发成本，还可以大幅提高研发效率。参考文献 吴献文 无人机测绘技