矢量共轴双旋翼无人机的设计与仿真研究

麦伟图 陈元电 施振华 苏成悦 徐胜

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

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 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

雙旋翼无人机具有垂直起降、悬停和结构紧凑等特点。它的子类共轴双旋翼无人机（Coaxial Helicopter， CH）越来越被重视。西科斯基公司的“密码”系列共轴双旋翼概念机[1]，NASA在火星上的“机智号”共轴双旋翼式无人机[2]；中智航的TD220和T333共轴双旋翼无人机[3]，中航工业的“绝影8”高速共轴小型无人机[4]，北航研制的共轴海鸥[5]等，共轴双旋翼无人机得到了广泛的研究。

无人机的姿态和飞行控制前期研究可以通过仿真实现。Xiao等提出了一种基于ROS（Robot Operating System）、Gazebo和PX4的平台来定制多旋翼无人机的仿真[6]；García等实现了基于PixHawk、PX4、外围设备的旋翼无人机和Gazebo结合的仿真平台和测试方法[7]；Hu等结合了Simulink和xPC技术设计了一款无人机半实物仿真系统[8]。仿真系统可以缩短开发周期，降低开发成本。Webots是Cyberbotics公司开发的机器人仿真软件，其与ROS结合发展出Webots_ros接口，主要应用于地面机器人[9]，在无人机领域少有应用。……