四旋翼飞行器的数字孪生系统设计

论文总字数：30552字

摘 要

四旋翼飞行器在近年来发展迅速，作为无人机学术研究中的热点，已经发展出了成熟的技术，其结构简单，成本低廉，性价比高，在航拍、民用侦查、科学研究中有着广泛的应用。而四旋翼飞行器的数字孪生，目前其研究还处于初步探索阶段，对其相关研究成果较少，但是作为实现信息物理系统的核心关键技术，开展四旋翼飞行器的数字孪生研究具有重要意义。

本文首先对四旋翼飞行器数字孪生中的飞行器的硬件结构以及飞行原理进行了介绍和分析，重点介绍了姿态解算和相关理论。随后，基于VC 6.0 利用MFC框架完成了四旋翼飞行器的数字孪生系统上位机的设计，实现了原始数据读入，飞行控制，姿态解算，飞行器状态信息显示，飞行姿态仿真模型图片展示等功能。接下来利用Solidworks的二次开发工具包，在VC 6.0中编写了 Solidworks 的姿态展示插件程序代码，并介绍了VC 6.0进行二次开发时的一些注意事项。最后，通过模拟四旋翼飞行器数据的发送，对所开发的软件功能进行了测试和验证，实验结果表明所设计的软件实现了预期的功能，达到了数字孪生的基本要求，所设计的Solidworks的相应插件也能和软件无缝连接并实时反映飞行姿态，达到了预期目标。

关键字：四旋翼飞行器，数字孪生技术，Solidworks的二次开发，姿态解算，飞行控制

Abstract

The four-rotor-aerocraft has developed rapidly in recent years. As a hot spot in the academic research of Unmanned Aerial Vehicle, it has been a mature technology for designing and controlling of our-rotor aircraft. Its structure is relatively simple, its cost is low, and the ratio of performance to cost is high. It has been widely used in aerial photography, civil investigation and scientific research. The digital twin of the four rotor aircraft is still in the preliminary exploration stage, and the related research results are scarce. However, as the key technology to realize the information physical system, it is of great significance to carry out the digital twin study of the four rotor aircraft.

Firstly, the hardware structure and flight principle of the four rotor aircraft are introduced and analyzed, and the relevant theory of attitude calculation is introduced. Then based on VC 6.0, the design of the upper computer for the digital twin system of the four rotor aircraft was completed using the MFC framework, which realized the functions of the original data reading, flight control, attitude calculation, vehicle status information display, flight attitude simulation model picture display and so on. Finally, using the two development kit of Solidworks, the gesture display plug-in code of Solidworks is written in VC 6. Finally, this paper introduces the misunderstandings that should be noticed in the study, and proves that the software is feasible , the basic requirements of the digital Twin are achieved. The corresponding plug-in of the designed Solidworks can also be connected seamlessly with the soft parts and reflect the flight attitude in real time, To meet the expected requirements.

Key words: Four rotor aircraft，digital twin， simulation software development， Solidworks ，attitude calculation

目 录

摘要 Ⅰ

Abstract Ⅱ

第一章 绪论 3

1.1研究背景与意义 3

1.2国内外研究现状 4

1.3研究内容 6

1.4论文研究结构与安排 6

第二章 四旋翼飞行器的硬件结构和飞行原理 7

2.1 四旋翼飞行器的硬件部分 7

2.1.1飞行控制器 7

2.1.2 电源 8

2.1.3 电机 8

2.1.4 电子调速器 8

2.2四旋翼飞行器的理论分析 9

2.2.1 基本坐标系 9

2.2.2 四旋翼飞行器的基本控制原理 9

2.2.3 姿态解算 10

2.2.3.1 姿态角 10

2.2.3.2 四元数和姿态融合 10

2.3 本章小结 12

第三章基于 VC 6.0 的四旋翼飞行器数字孪生系统设计 13

3.1数字孪生系统框架构建 13

3.1.1数据传输模块 14

3.1.2 四旋翼飞行器状态监视模块 15

3.1.3 四旋翼飞行器控制模块 15

3.2 四旋翼状态读取和数据传输模块功能实现 16

3.2.1 原始数据读取和显示功能 16

3.2.2 姿态数据显示和姿态解算功能 18

3.2.3 数据更新和清空功能 18

3.3 飞行状态监视模块设计和功能实现 18

3.3.1 飞行姿态信息显示功能 18

3.3.2 飞行姿态图像展示功能 21

3.4 飞行控制模块设计和功能实现 23

3.4.1 控制模块属性页对话框的实现 23

3.4.2 相应飞行姿态控制功能的实现 24

3.5 本章小结 24

第四章 基于Solidworks的二次开发：飞行器运动姿态仿真 25

4.1 Solidworks二次开发的基础介绍 25

4.2 基于VC 6.0关于Solidworks的菜单插件设计 25

4.3 四旋翼飞行状态仿真模块程序设计 26

4.3.1、制作动态旋转模型的Solidworks插件 26

4.3.2、对旋转模型和角度关系的逻辑分析 28

4.4 本章小结 30

第五章 总结与展望 31

5.1工作总结 31

5.2重要结论 31

5.3 后续工作 31

致 谢 33

参考文献： 34

第一章 绪论

1.1研究背景与意义

如今，无人机已经被认为是一项逐渐成熟的技术，在各个领域中，得到的应用越来越广泛，其潜力也被日益挖掘。其中，微型无人机以其价格优势和卓越的灵活度，体积小巧质量轻，能够适应各种复杂的环境，在实际应用中被最为广泛的使用。

在军事上，为避免人员伤亡，增加作战成功率，微型无人机常常被用于从事各项侦查工作，也被用于电子干扰，窃取敌军信息。而在民用上，微型无人机也有着广泛的应用，信号中继站、研究环境和气候，监视自然灾害和及时汇报，另外，它也走进了我们的日常生活，航拍，记录生活，或作为玩具而存在。

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