1、2023年11月计算机应用文摘第3 9 卷第2 2 期基于Unity的无人机虚拟仿真训练平台的设计与实现张子阳,姚旭？(1.沈阳航空航天大学,沈阳110 13 6;2.沈阳市公安局网络安全保卫支队，沈阳110 13 6)摘要：四旋翼无人机是一种具有广阔应用前景的飞行器，但其操作难度及训练成本较高，文章利用Unity引擎对四旋翼无人机虚拟仿真训练平台进行了设计与实现。其中，首先对四旋翼无人机进行了结构分析和动力学建模，并采用离散式PID控制器对无人机的飞行姿态进行控制，随后利用Unity环境模拟系统模拟了不同气象条件下的飞行环境，并利用Qt开发框架实现了无人机飞行参数可视化系统，最后通过实验验证
2、了该平台的可行性和有效性。关键词：四旋翼无人机；Unity；虚拟仿真训练；飞行参数可视化中图法分类号：TP391Design and implementation of Unity-based drone virtual(1.Shenyang Aerospace University,Shenyang 110136,China;2.Network Security Detachment of Shenyang Public Security Bureau,Shenyang 110136,China)Abstract:Quadrotor drones are flying devices wit
3、h various possible uses,but they are hard to controland expensive to train.This paper uses the Unity engine to design and implement a virtual simulationtraining platform for quadcopter drones.First,it analyzes and models the structure and dynamics ofthe quadrotor drone,and uses a discrete PID contro
4、ller to achieve its flight attitude control.Then,itsimulates the flight environment under different weather conditions using the Unity environmentsimulation system,and implements the visualization system of the drone flight parameters using theQt development framework.Finally,it verifies the feasibi
5、lity and effectiveness of the platformthrough experiments.Key words:quadrotor drone,Unity,virtual simulation training,flight parameter visualization随着科技的进步，四旋翼无人机在现代社会中的应用越来越广泛,在农业、媒体、救援等诸多领域中均发挥着重要作用。据统计,四旋翼无人机在2 0 19 年的全球市场规模达到2 0 亿美元，预计到2 0 2 5年将增长至50 亿美元1。然而，四旋翼无人机也面临着一些挑战和问题，如操作难度大、训练成本高、危险性高等。
6、四旋翼无人机系统是一个典型的欠驱动、非线性、强耦合及静不稳定系统2 。该系统的操作难度较大,要求操作人员具有较强的操控技术及多年的驾驶经验。同时，作为创新型设备，四旋翼无人机的价格较为昂贵,但其寿命却十分有限3 ,这些因素对四旋翼无人机的实际应用造成了阻碍。此外，无人机的相文献标识码：Asimulation training platformZHANG Ziyang,YAO Xu关应用具有较高的危险性,如战地新闻的实时报道等4,这些危险性增加了四旋翼无人机操作人员的培养成本。为了避免资源的浪费和训练事故的发生,呕须开发无人机仿真训练平台。1四四旋翼无人机的运动原理四旋翼无人机是一个欠驱动系统,
7、具有1个上升力、3 个方向的转矩等4个控制输入；在三维空间中具有垂直运动、俯仰运动、滚转运动、偏航运动、前后运动,倾向运动等6 个自由度；能够实现沿X,Y,Z三个坐标轴的直线运动和绕X,Y,Z三个坐标轴方向的角运动5。图1展示了四旋翼无人机中四个螺旋奖的旋转方向，它可通过改变其中的某个或多个螺旋桨的基金项目：沈阳航空航天大学大学生创新创业训练计划支持项目（X202210143134)2023 年第2 2 期转速从而改变升力，进而实现各种动作并确保在合适的高度范围内飞行。图1飞行器运动控制图2四旋翼无人机的建模2.1动力数据的建模为了实现对四旋翼无人机的精确控制，需要构造一个完善的数学模型来描述
8、无人机的运动特性和动力学特性。本文通过模拟四旋翼无人机的6 个自由度运动获得这个数学模型，该模型可以模拟垂直、俯仰、滚转、倾向等飞行姿态。为了验证数学模型的正确性和有效性，需要获取无人机在飞行过程中的实时参数,并将其与预期结果进行比较和分析。对此,本文在四旋翼无人机模型中集成多种模拟传感器（如高度计、加速度计及陀螺仪等）来测量无人机的飞行高度、加速度、俯仰角、横滚角、偏航角等飞行参数，这些参数可为飞参数据可视化模块提供无人机飞行数据。同时,本文创建了Rotor类来实现转速、升力、反扭矩的算法,其中升力与转速的平方成正比,反扭矩的大小与转速的平方成正比，伪代码如下：/算法：计算升力，反扭矩/输入
9、:升力比例系数Kf,反扭矩比例系数Km，转速 throttle/输出:升力upForce,反扭矩counterTorquefunction Rotor()upForceKf*throttle*throttle;/计算升力counterTorqueKm*throttle*throttle;/计算反扭矩return upForce counterTorque/返回升力和反扭矩end function2.2飞行姿态的建模PID控制器被广泛应用于工程领域，它主要利用比例、积分和微分进行控制，常被用于线性及定常系统6 。由于四旋翼无人机采用数字控制系统，本文选用离散式PID控制器实现无人机的飞行姿态控制
10、，该控制器可用公式(1)表示：u（t)=K,/e(t)计算机应用文摘式中,u(t)是第t次采样时刻的计算结果,e(t)是第t次采样时刻的PID控制器的偏差。伪代码如下：/算法：对离散式PID控制器的实现/输人：比例调节系数Kp,积分调节系数Ki,微分调节系数Kd,integal 累计误差值，当前误差值now，之前误差值previous/输出：PID输出量OutputfunctionCalcul()integralk一now+integal;/计算误差值OutputKp*now+Ki*integral+Kd*(now-previous);/计算PID输出量Output Mathf.Clamp（O
11、 u t p u t,m i n Li m i t,maxLimit）；/为输出值限制范围previousnow;/更新之前误差值return Output;/返回 PID输出量end function3虚拟仿真训练平台的实现3.1环境气象模块在复杂气象条件下，为了提高四旋翼无人机训练人员的飞行技能和应对能力,本文设计了一个环境气象模块来模拟真实的气象环境，其中利用Unity环境模拟系统Windzoon使本虚拟仿真训练平台的真实性更强、训练效果更好。3.2无人机飞行姿态控制模块为了实现四旋翼无人机的人工操控和飞行姿态的调节，本文设计了无人机飞行姿态控制模块来模拟专业无人机操作手柄的功能和操作方
12、式。其中，本文采用6 个键位来进行操控，“W”与“S键分别负责实现油门的增减，4个方向键负责实现俯仰与横滚运动。例如，若希望无人机向前飞行，训练人员可以按下方向键中的“上”键,从而使无人机产生一个正向的俯仰角；若希望无人机向左转弯，训练人员可以按下方向键中的“左”键，从而使无人机产生一个负向的横滚角；若希望无人机升高或降低飞行高度，训练人员可以按下“W”键或“S”键，从而使无人机增加或减少油门。3.3飞行数据显示模块为使训练人员更直观地了解无人机的飞行状态和性能,本文设计了飞行数据显示模块以实时显示并分析无人机的飞行参数（表1），如高度、速度、角度等。同时,利用Qt开发框架中的主流数据可视化框
13、(t)dt+Tde(t)dt69(1)架QChart，本文完成了实时动态折线图的绘制，从而(下转第7 3 页)2023 年第 2 2 期3025201050图2 不同类型入侵数据的误识率测试结果4结束语本文对基于Apriori算法的经济管理系统入侵数据挖掘展开了研究，经实验发现，该方法可实现经济管理系统入侵数据的挖掘,并有效降低误识率。本文研究取得了一定成果，但仍存在较多不足，在今后的研究中,我们将引人更多高端智能技术，从而实现经济管理系统入侵数据的精准挖掘，进而避免用户信息泄露。参考文献：1王旭仁,马慧珍,冯安然，等.基于信息增益与主成分分析(上接第 6 9 页)实现了动态数据分析和可视化，
14、如图2 所示。表2 无人机的飞行参数参数变量名飞行参数名称QuadHeight无人机高度VelX在X坐标轴的位置VelY在Y坐标轴的位置Velz在Z坐标轴的位置angleVelX绕X坐标轴的转角angleVelY绕Y坐标轴的转角angleVelZ绕乙坐标轴的转角图2 飞行数据显示图4结束语本文设计并实现了基于Unity实现的无人机虚拟仿真训练平台，该平台具有良好的沉浸性和交互性，计算机应用文摘本文方法的网络入侵检测方法J.计算机工程,2 0 19,45（6)：17 5-融合WaveNet和BiGRU的挖掘方法180.基于循环神经网络的挖掘方法2陈红松,陈京九.基于循环神经网络的无线网络人侵检测
15、分类模型构建与优化研究J.电子与信息学报,2 0 19,41(6):1427-1433.3马泽煊，李进，路艳丽，等.融合WaveNet 和BiCRU的网络人侵检测方法J.系统工程与电子技术,2 0 2 2,44（8）：2652-2660.【4蔡玲如,朱理,黄瑞崧，等.基于强化学习的无线传感器网络入侵检测攻防博奔研究J.计算机应用研究,2 0 2 2,3 9KDD-KDD-ProbeKDD-Dos攻击类型73KDD-(12):3786-3790.R2LU2R5高兵,郑雅,秦静,等.基于麻雀搜索算法和改进粒子群优化算法的网络人侵检测算法J.计算机应用,2 0 2 2,42(4):1201-1206
16、.6王振东,刘尧迪,杨书新，等.基于天牛群优化与改进正则化极限学习机的网络入侵检测J.自动化学报，2 0 2 2,48(12):3024-3041.7刘金平,张五霞,唐朝晖,等.基于模糊粗糙集属性约简与GMM-LDA最优聚类簇特征学习的自适应网络入侵检测J.控制与决策,2 0 19,3 4(2)：2 43-2 51.8刘广睿，张伟哲，李欣洁.基于边缘样本的智能网络人侵检测系统数据污染防御方法J.计算机研究与发展,2 0 2 2,59(10):2348-2361.作者简介：罗蒙(2 0 0 2 一),本科,研究方向：应用统计学。卢志炯（19 9 9 一），本科,研究方向：软件工程。不仅能大幅度提
17、高训练效率,还能降低训练成本和危险程度。未来，我们将继续提高该无人机的沉浸性和逼真度,并模拟各种复杂环境和场景（如恶劣天气、复杂地形等)以帮助训练人员更好地应对各种情况,进而实现最佳的训练效果。参考文献：1】恒州博智.2 0 2 2-2 0 2 8 全球与中国四旋翼无人机市场现状及未来发展趋势EB/OL.https：/w w w.q y r e s e a r c h.c o 0 10.3褚丽娜,李建增,谢志刚.基于Unity3D的无人机交互式课件开发J.现代计算机（专业版），2 0 15（2 4）：3 9-42.4李灿,侯兴明,祁启明，等.基于数字李生的无人机平行作战仿真J.火力与指挥控制,2 0 2 3,48（8）：2 3-3 1.5】杨明志,王敏.四旋翼微型飞行器控制系统设计J.计算机测量与控制,2 0 0 8（4）：48 5-48 7+49 0.6李尧.四旋翼飞行器控制系统设计D.大连：大连理工大学,2 0 13.作者简介：张子阳(2 0 0 2 一）,本科,研究方向：计算机科学与技术。
