摘 要：设计了一款新型的具有矢量定向机构的共轴双旋翼无人机。在 Webots 移动机器人仿真软件的环境下完成对矢量共轴双旋翼无人机的实体造型与动力学建模，基于 ROS 机器人操作系统编写了矢量共轴双旋翼无人机的飞控程序，引入了双目定位算法进行空间定位。通过仿真实验验证了矢量共轴双旋翼无人机机构、飞控程序和双目定位算法的可行性，对快速开发新型无人机飞控和接入新型传感器有参考价值。
关键词：矢量共轴；Webots 仿真软件；ROS 机器人操作系统；飞行仿真；双目定位
DOI:10.19850/j.cnki.2096-4706.2023.01.039
中图分类号：TP273+.4；TP391.9 文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2023）01-0145-06
Research on Design and Simulation of Vector Coaxial Two-Rotor UAV
MAI Weitu1, CHEN Yuandian1, SHI Zhenhua 1,2, SU Chengyue 1, 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
参考文献：
[1] 周炎 . 新型共轴无人直升机飞行控制技术研究 [D]. 南京：南京航空航天大学，2020.
[2] 王永杰，朱清华，何振亚 . 火星直升机配平和稳定性研究[J]. 飞行力学，2020，38（6）：24-29.
[3] 戴兴安 . 复合式共轴双旋翼高速直升机飞行边界安全保护控制技术研究 [D]. 南京：南京航空航天大学，2019.
[4] 高瀚林 . 一种共轴式直升机 / 旋翼机转换式飞行器飞行特性研究 [D]. 南京：南京航空航天大学，2020.
[5] 吴益超 . 复合式共轴高速直升机建模及其控制技术研究[D]. 南京：南京航空航天大学，2019.
[6] XIAO K，TAN S C，WANG G H，et al.XTDrone：A Customizable Multi-rotor UAVs Simulation Platform [C]//2020 4th International Conference on Robotics and Automation Sciences （ICRAS）.Wuhan：IEEE，2020：55-61.
图 10 Rviz 下无人机定位轨迹结果图
[7] GARCÍA J，MOLINA J M.Simulation in Real Conditions of Navigation and Obstacle Avoidance with PX4/Gazebo Platform [C]//2019 IEEE International Conference on Pervasive Computing and Communications Workshops （PerCom Workshops）.Kyoto：IEEE， 2019：979-984.
[8] HU B，ZHOU Z H，LI C T.Design of Semi-Physical Real-Time Simulation System for UAV Based on xPC [C]//2019 5th International Conference on Control Science and Systems Engineering （ICCSSE）.Shanghai：IEEE，2019：31-35.
[9] 毛成凯，张瑞雷 . 基于 Webots 的 SLAM 算法及其系统实现研究 [J]. 常熟理工学院学报，2021，35（5）：46-52.
[10] QIN T，PAN J，CAO S Z，et al.A General Optimizationbased Framework for Local Odometry Estimation with Multiple Sensors [J/OL].arXiv：1901.03638 [cs.CV].[2022-07-03].https://arxiv.org/ abs/1901.03638.
[11] 孙希君，王秋滢，王水根，等 . 基于 ROS 室内巡检机器人的视觉惯性融合定位方法 [J]. 现代信息科技，2021，5（13）：
139-143+147.[12] 吴东旭，丁茹，张梓嵩，等 . 基于 P-PID 控制器对共轴双旋翼飞行器的姿态控制 [J]. 沈阳理工大学学报，2019，38（4）：58-61.
[13] 冯庆端，裴海龙 . 串级 PID 控制在无人机姿态控制的应用 [J]. 微计算机信息，2009（22）：9-10+45.
作者简介：麦伟图（1995—），男，汉族，广东佛山人，硕士研究生在读，研究方向：嵌入式无人机与 SLAM 技术；陈元电（1977—），男，汉族，广东肇庆人，讲师，硕士，研究方向：机器人、人工智能、无线通信；通讯作者：苏成悦（1961—），男，汉族，湖南长沙人，教授，博士，研究方向：应用物理、光电技术；徐胜（1976—），男，汉族，广东梅州人，讲师，硕士，研究方向：机器视觉与 SLAM 技术；施振华（1994—），男，汉族，广东广州人，软件工程师，本科，研究方向：无人机技术。