四旋翼飛行器的數(shù)字孿生系統(tǒng)設(shè)計(jì)

吳東陽(yáng)，竇建平，李 俊

1.東南大學(xué) 深圳研究院，廣東 深圳518000

2.東南大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，南京211100

3.東南大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院，南京210018

目前，多旋翼飛行器以其重量輕、小型化、長(zhǎng)航時(shí)、高隱蔽和高安全性等特點(diǎn)，在各個(gè)領(lǐng)域中得到越來越廣泛的應(yīng)用。多旋翼飛行器的發(fā)展早期側(cè)重于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和材料開發(fā)，機(jī)身材料逐漸從金屬向有機(jī)合成材料轉(zhuǎn)變，使得機(jī)身靈巧性不斷提升；隨后研發(fā)重心向著先進(jìn)算法開發(fā)傾斜，主要包括各種控制算法和基于任務(wù)（如目標(biāo)追蹤、路線規(guī)劃等）的工程算法，以期能夠進(jìn)一步提高對(duì)飛行器的控制力，從而高效執(zhí)行復(fù)雜任務(wù)[1]。而現(xiàn)階段在多旋翼飛行器中融入新的互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，搭建系統(tǒng)級(jí)的管理平臺(tái)，如5G、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算等技術(shù)，促進(jìn)新的融合產(chǎn)品落地成為研究熱點(diǎn)。

盡管多旋翼飛行器在設(shè)計(jì)[2-4]、控制[5-9]技術(shù)方面取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步，但其物理實(shí)體實(shí)時(shí)運(yùn)行工況等測(cè)量采集數(shù)據(jù)與信息空間的理論模型（如飛控模型）數(shù)據(jù)分離，沒有支撐二者融合的建模方法和相互匹配機(jī)制。這種物理實(shí)體和信息空間模型數(shù)據(jù)的脫節(jié)，造成采集信息可用性低，無(wú)法根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)等信息進(jìn)行自主學(xué)習(xí)并完成運(yùn)行活動(dòng)的各種優(yōu)化決策。而近幾年得到快速發(fā)展的數(shù)字孿生（Digital Twin）技術(shù)[10]，具有深度融合物理實(shí)體和信息虛擬體理念，其核心思想就是以多維多空間多尺度模型將物理實(shí)體以數(shù)字化呈現(xiàn)，以多源異構(gòu)的數(shù)據(jù)為紐帶，將物理實(shí)體與虛擬空間進(jìn)行實(shí)時(shí)連接、實(shí)時(shí)映射、實(shí)時(shí)刷新，以保證一致性。最終目的是借助虛擬空間的仿真、可視化等手段增加或擴(kuò)展物理實(shí)體新的能力。這項(xiàng)新興技術(shù)為多旋翼系統(tǒng)的“虛實(shí)結(jié)合”，形成一個(gè)真正的基于實(shí)際模型及參數(shù)的閉環(huán)控制系統(tǒng)提供了新的解決方案。

這樣的背景下，本文針對(duì)四旋翼飛行器系統(tǒng)運(yùn)行控制優(yōu)化，引入數(shù)字孿生概念，建立了一個(gè)能夠描述和管理飛行控制、狀態(tài)預(yù)測(cè)等不同階段產(chǎn)生的異構(gòu)、多態(tài)、海量數(shù)據(jù)的一體化開發(fā)框架，并主要用于四旋翼運(yùn)維階段的相關(guān)工作，包括離線狀態(tài)的控制參數(shù)更新、風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估與排查等。相比傳統(tǒng)的四旋翼控制系統(tǒng)，數(shù)字孿生系統(tǒng)可以充分利用數(shù)據(jù)資源，并在一定程度上提高四旋翼的控制效率和規(guī)避一些潛在的飛行風(fēng)險(xiǎn)，這一研究策略為多旋翼飛行器的系統(tǒng)級(jí)開發(fā)提供了新思路。

1 數(shù)字孿生技術(shù)概述

1.1 數(shù)字孿生的定義

數(shù)字孿生，作為近年來迅速發(fā)展的新興研究領(lǐng)域，其定義尚未達(dá)成共識(shí)。但其核心要素離不開物理實(shí)體、虛擬模型、數(shù)據(jù)、連接和服務(wù)。針對(duì)不同的對(duì)象，從不同的維度進(jìn)行思考，數(shù)字孿生技術(shù)具有不同的認(rèn)識(shí)與特征[11]。物理層面：物理實(shí)體是整套系統(tǒng)的基礎(chǔ)，數(shù)字孿生模型因物理實(shí)體對(duì)象而異，數(shù)據(jù)因物理實(shí)體特征而異，服務(wù)因物理實(shí)體需求而異。模型（虛擬）層面：理想數(shù)字孿生模型包括幾何模型、規(guī)則模型、物理模型、行為模型等多空間多尺度模型[10，12-14]。有別于傳統(tǒng)模型，更加強(qiáng)調(diào)與實(shí)體空間的相互映射與高度一致性。數(shù)據(jù)層面：數(shù)據(jù)是數(shù)字孿生系統(tǒng)的核心驅(qū)動(dòng)力，數(shù)據(jù)的來源不光要包括實(shí)體空間、虛擬空間，也要包括虛實(shí)結(jié)合的融合數(shù)據(jù)[13]。數(shù)字孿生在數(shù)據(jù)層面還應(yīng)具備實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)更新、實(shí)時(shí)交互、及時(shí)響應(yīng)等特征。連接層面：物理實(shí)體與虛擬空間的連接必須具有雙向性和兼容性。雙向性具體表現(xiàn)為雙向連接、雙向驅(qū)動(dòng)與雙向交互；兼容性表現(xiàn)為跨平臺(tái)、跨接口、跨協(xié)議[10-11]。服務(wù)層面：針對(duì)不同的對(duì)象、不同的需求，數(shù)字孿生系統(tǒng)可以在產(chǎn)品的全生命周期各個(gè)階段提供相應(yīng)的可靠服務(wù)[15-16]。

1.2 數(shù)字孿生的內(nèi)涵與發(fā)展

數(shù)字孿生作為實(shí)現(xiàn)智能制造的重要技術(shù)，正在受到各行各業(yè)的專家、學(xué)者的廣泛探討與研究。制造業(yè)中基于數(shù)字孿生技術(shù)的應(yīng)用探索與落地產(chǎn)品不斷出現(xiàn)。其在航天飛行、智慧城市、數(shù)字化車間、船舶航海等領(lǐng)域的優(yōu)勢(shì)也在不斷顯露。

劉青等[17]對(duì)數(shù)字孿生的研究進(jìn)展進(jìn)行了綜述，提出了以2017年為界，將數(shù)字孿生的發(fā)展分為兩個(gè)主要階段。2017年以前，研究的數(shù)量較少，主要集中在概念的討論，并介紹了幾種實(shí)現(xiàn)模型。2017年以后的研究數(shù)量大幅增加，國(guó)內(nèi)也有一定數(shù)量的學(xué)者參與相關(guān)研究，除了繼續(xù)對(duì)概念進(jìn)行討論外，還提出了新的模型、應(yīng)用框架和方式，也出現(xiàn)了使用案例對(duì)數(shù)字孿生進(jìn)行驗(yàn)證。國(guó)內(nèi)數(shù)字孿生逐漸向產(chǎn)品、制造設(shè)備和制造車間的應(yīng)用探索轉(zhuǎn)移。其中包括，莊存波等[18]提出了一種數(shù)字框架，用于構(gòu)建復(fù)雜產(chǎn)品裝配車間的數(shù)字孿生智能生產(chǎn)管理和控制方法；郭東升等[19]則從CPS的可交互性、可計(jì)算性、可控制性出發(fā)，構(gòu)建了基于數(shù)字孿生的航空結(jié)構(gòu)件車間模型；北航陶飛團(tuán)隊(duì)對(duì)數(shù)字孿生設(shè)計(jì)框架進(jìn)行探索，包括任務(wù)規(guī)劃與識(shí)別、概念設(shè)計(jì)、具體化設(shè)計(jì)、詳細(xì)設(shè)計(jì)及虛擬驗(yàn)證等階段[20]，并在此基礎(chǔ)上，針對(duì)制造車間物理空間與虛擬空間的相互作用與融合，提出了數(shù)字孿生車間（Digital Twin Shop-Floor）的概念。在具體的工程實(shí)例方面，3D打印機(jī)、數(shù)控機(jī)床、自動(dòng)導(dǎo)軌運(yùn)輸車等制造設(shè)備的數(shù)字孿生系統(tǒng)[21]也相繼落地，對(duì)于這一新興技術(shù)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展具有指導(dǎo)意義。并且隨著數(shù)字孿生價(jià)值的不斷顯現(xiàn)，使用怎樣的平臺(tái)進(jìn)行數(shù)字孿生系統(tǒng)的構(gòu)建成為關(guān)注的熱點(diǎn)問題。在這樣的前提下，多個(gè)企業(yè)進(jìn)行了商業(yè)化平臺(tái)的開發(fā)，其中就包括采用MATLAB的Simulink來構(gòu)建平臺(tái)。這對(duì)于本文所研究的四旋翼飛行器的數(shù)字孿生系統(tǒng)設(shè)計(jì)奠定了基礎(chǔ)。

2 四旋翼飛行器數(shù)字孿生系統(tǒng)的體系框架

四旋翼飛行器數(shù)字孿生系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，依賴于多項(xiàng)新興的通訊技術(shù)與多學(xué)科基礎(chǔ)理論的支持[17]。從最開始的數(shù)據(jù)采集到最后的應(yīng)用呈現(xiàn)和人機(jī)交互，可以分為物理層、虛擬層、服務(wù)層和孿生數(shù)據(jù)層[22]，每一層都建立在互相聯(lián)系、互相迭代的基礎(chǔ)上，并且是對(duì)各自功能的豐富與拓展，如式（1）所示[23]：

式中，SFDT表示數(shù)字孿生的體系框架，PL表示物理層，VL表示虛擬層，SL表示服務(wù)層，DDL表示孿生數(shù)據(jù)層。具體的體系結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 數(shù)字孿生系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框架Fig.1 Framework of digital twin system

（1）物理層（PL）

物理實(shí)體是整個(gè)系統(tǒng)的搭建對(duì)象，更是建立數(shù)字孿生系統(tǒng)的基礎(chǔ)，所有設(shè)計(jì)的最終目的都是為物理實(shí)體服務(wù)，因此對(duì)物理層的精準(zhǔn)分析和有效維護(hù)，是構(gòu)建一個(gè)優(yōu)秀SFDT的前提。根據(jù)具體對(duì)象功能與結(jié)構(gòu)，物理層的等級(jí)一般可劃分為單元級(jí)（Unit Level）、系統(tǒng)級(jí)（System Level）和復(fù)雜系統(tǒng)級(jí)（System of Systems Level）[24]。根據(jù)不同應(yīng)用需求和管控力度對(duì)PL進(jìn)行分類，是分層構(gòu)建SFDT的基礎(chǔ)。本文所涉及系統(tǒng)以四旋翼飛行器為載體，旨在實(shí)現(xiàn)智能監(jiān)控、智能控制和后期運(yùn)維的基本功能，可歸于單元級(jí)PL。具體的組成部分包括四旋翼飛行器的機(jī)械架構(gòu)（機(jī)架、旋翼、起落架等）、各類傳感器（ICM20602、電子羅盤AK8975、SPL06-001等）、通訊模塊（采用ZigBee技術(shù)的DL-22）和飛行器的飛行環(huán)境等。

（2）虛擬層（VL）

虛擬層的主要作用是對(duì)物理層實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)、精準(zhǔn)的數(shù)字化映射，同時(shí)通過物理層采集的數(shù)據(jù)和自身仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行及時(shí)的迭代作用，以確保系統(tǒng)的有效性。虛擬層的實(shí)現(xiàn)，主要依賴于精準(zhǔn)的建模，VL如式（2）所示[23]，通常包括幾何模型(Gm)、物理模型(Pm)、行為模型(Bm)和規(guī)則模型(Rm)，這些模型能從多時(shí)間尺度、多空間尺度對(duì)物理實(shí)體進(jìn)行描述與刻畫：

Gm為描述PL的幾何參數(shù)（如飛行器的形狀、尺寸、位置等）與關(guān)系（如裝配關(guān)系、結(jié)構(gòu)關(guān)系等）的三維模型，與PL具備良好的時(shí)空一致性，對(duì)所建模型細(xì)節(jié)層次的渲染可使Gm從視覺上更接近物理實(shí)體。具體工程的Gm實(shí)現(xiàn)可利用三維建模軟件SolidWorks、3DMAX、AutoCAD等創(chuàng)建。

Pm在Gm的基礎(chǔ)上增加了PL的物理屬性、約束及特征等信息，通常可用ANSYS、ABAQUS、Hypermesh等工具從宏觀及微觀尺度進(jìn)行動(dòng)態(tài)的數(shù)學(xué)和物理近似模擬與刻畫，如結(jié)構(gòu)、流體、電場(chǎng)、磁場(chǎng)建模仿真分析等。

Bm對(duì)于實(shí)時(shí)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與分析尤為重要，模擬了不同粒度、不同空間尺度下的PL在不同時(shí)間尺度下的外部環(huán)境與干擾，以及內(nèi)部運(yùn)行機(jī)制共同作用下產(chǎn)生的實(shí)時(shí)響應(yīng)及行為，如隨時(shí)間推進(jìn)的演化行為、動(dòng)態(tài)功能行為、性能退化行為等。Bm能夠最大限度地提升虛擬層的高度保真性。

Rm的建立涉及基于歷史關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)的規(guī)律規(guī)則，基于專家知識(shí)總結(jié)的經(jīng)驗(yàn)，以及行業(yè)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)等。這些規(guī)則隨著時(shí)間的推移自增長(zhǎng)、自學(xué)習(xí)、自演化，使VL具備實(shí)時(shí)的判斷、評(píng)估、優(yōu)化及預(yù)測(cè)的能力，從而不僅能對(duì)PL進(jìn)行控制與運(yùn)行指導(dǎo)，還能對(duì)VL進(jìn)行校正與一致性分析。

通過對(duì)上述4類模型進(jìn)行組裝、集成與融合，創(chuàng)建對(duì)應(yīng)PL的完整VL映射。

（3）服務(wù)層（SL）

服務(wù)層又可叫功能層，服務(wù)是實(shí)現(xiàn)制造物理世界和信息世界間智能互聯(lián)與智能操作的重要橋梁。主要作用是對(duì)整個(gè)數(shù)字孿生系統(tǒng)的數(shù)據(jù)、仿真、控制、結(jié)果、預(yù)測(cè)等進(jìn)行特殊化封裝，向?qū)嶋H的系統(tǒng)設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、使用和維護(hù)需求提供相應(yīng)的功能，包括多層級(jí)系統(tǒng)壽命估計(jì)、系統(tǒng)集群執(zhí)行任務(wù)能力的評(píng)估、系統(tǒng)集群維護(hù)保障、系統(tǒng)生產(chǎn)過程監(jiān)控以及系統(tǒng)設(shè)計(jì)決策等功能[21]。

本文所設(shè)計(jì)的服務(wù)層主要提供兩大塊的服務(wù)：一個(gè)是面向DDL所提供的數(shù)據(jù)管理與處理功能，具體包括數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、封裝、清洗、挖掘與融合等；另一個(gè)是開發(fā)設(shè)計(jì)和封裝了具體的用戶界面，提供面向用戶的操作和監(jiān)管服務(wù)，能夠更加直觀有效地對(duì)整個(gè)運(yùn)行過程進(jìn)行控制。

（4）孿生數(shù)據(jù)層（DDL）

數(shù)據(jù)作為數(shù)字孿生系統(tǒng)的核心驅(qū)動(dòng)力，數(shù)據(jù)層是整個(gè)數(shù)字孿生體系框架的基礎(chǔ)。本文所設(shè)計(jì)的數(shù)字孿生系統(tǒng)的數(shù)據(jù)層主要功能由數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸和全生命周期數(shù)據(jù)管理三部分組成。具體的驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)包括物理實(shí)體數(shù)據(jù)、虛擬仿真數(shù)據(jù)、知識(shí)數(shù)據(jù)與融合衍生數(shù)據(jù)。

物理實(shí)體數(shù)據(jù)，主要包括自身的尺寸、位置數(shù)據(jù)和高性能傳感器所采集到的飛行數(shù)據(jù)等（更完備的物理實(shí)體數(shù)據(jù)還應(yīng)包含環(huán)境數(shù)據(jù)、關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)和實(shí)時(shí)擾動(dòng)數(shù)據(jù)等）；虛擬仿真數(shù)據(jù)，高精度的虛擬模型所產(chǎn)生的仿真數(shù)據(jù)具有很高的參考價(jià)值，對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行，尤其是預(yù)測(cè)具有重要的作用；知識(shí)數(shù)據(jù)包括專家知識(shí)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)則約束、推理推論、常用算法庫(kù)與模型庫(kù)，該部分?jǐn)?shù)據(jù)的引入有助于提高系統(tǒng)的可信度；融合衍生數(shù)據(jù)，是對(duì)多源異構(gòu)進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、預(yù)處理、分類、關(guān)聯(lián)、集成、融合等相關(guān)處理后得到的數(shù)據(jù)[25]，通過融合物理實(shí)況數(shù)據(jù)與多時(shí)空關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)、歷史統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)、專家知識(shí)等信息得到信息物理融合數(shù)據(jù)，從而反映更加全面與準(zhǔn)確的信息，并實(shí)現(xiàn)信息的共享與增值，是整個(gè)孿生數(shù)據(jù)層最核心的部分。

3 數(shù)字孿生系統(tǒng)的功能實(shí)現(xiàn)

3.1 數(shù)字孿生系統(tǒng)建模

在獲得數(shù)據(jù)層提供的數(shù)據(jù)后，利用數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)方法和基于數(shù)學(xué)模型的方法對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行多物理、多尺度層面的建模，使所建立的模型與實(shí)際系統(tǒng)準(zhǔn)確匹配、實(shí)時(shí)同步，是保障系統(tǒng)運(yùn)行的重要環(huán)節(jié)?？紤]到具體的功能與應(yīng)用需求，本文主要進(jìn)行了幾何模型、行為模型與規(guī)則模型的建模。

（1）Gm：使用三維建模軟件SolidWorks對(duì)四旋翼飛行器進(jìn)行了較為精準(zhǔn)的建模和渲染，如圖2所示。同時(shí)借用了SolidWorks的API在三個(gè)軸方向上動(dòng)態(tài)旋轉(zhuǎn)模型的相關(guān)函數(shù)來實(shí)現(xiàn)對(duì)物理層面飛行數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)顯示，并以插件形式植入人機(jī)交互界面，向特定用戶更加直觀地呈現(xiàn)飛行狀態(tài)。

圖2 四旋翼飛行器3D模型Fig.2 3D model of quadrotor flight

（2）Bm：此部分建模對(duì)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性體現(xiàn)尤為重要。模擬了不同粒度、不同空間尺度，在復(fù)雜的控制指令與外界干擾的共同作用下，系統(tǒng)所執(zhí)行的內(nèi)部運(yùn)行機(jī)制與響應(yīng)策略。本文以四旋翼的飛行控制模型為主要研究對(duì)象，實(shí)際開發(fā)中所采用的是經(jīng)典的串級(jí)PID控制模型，由角速度內(nèi)環(huán)與角度外環(huán)構(gòu)成，如圖3所示。該控制模型能夠更加精確、快速地完成指令響應(yīng)。

圖3 串級(jí)PID控制流程圖Fig.3 Cascade PID control flow chart

相較于傳統(tǒng)串級(jí)PID控制系統(tǒng)直接得到的參數(shù)整定結(jié)果，本文所設(shè)計(jì)的數(shù)字孿生系統(tǒng)在此基礎(chǔ)上，添加了調(diào)用Simulink進(jìn)行控制模型仿真，得到仿真PID參數(shù)對(duì)實(shí)際參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化的環(huán)節(jié)。具體如下：通過對(duì)比相同飛行條件下仿真得到的PID控制參數(shù)與實(shí)際飛行中的參數(shù)整定結(jié)果，結(jié)合經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行二次微調(diào)，以達(dá)到更加高效、精準(zhǔn)的控制效果。

（3）Rm：此部分建模主要以歷史存儲(chǔ)數(shù)據(jù)與飛行過程中的實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)為輸入，結(jié)合現(xiàn)有的總結(jié)經(jīng)驗(yàn)和業(yè)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)所建立的數(shù)學(xué)模型。以四旋翼飛行過程中的超調(diào)響應(yīng)為例，若采集到的實(shí)時(shí)響應(yīng)時(shí)間出現(xiàn)明顯延長(zhǎng)，無(wú)法做到及時(shí)的指令執(zhí)行，則可根據(jù)現(xiàn)有的控制模型并結(jié)合歷史數(shù)據(jù)，對(duì)PID控制中的P參數(shù)進(jìn)行增大。具體的參數(shù)調(diào)整模型如式（3）：

其中，k1、k2分別為現(xiàn)有經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ团c歷史數(shù)據(jù)的決策權(quán)重，CM為經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，HD為歷史數(shù)據(jù)影響，k0為其他可能的干擾因素。

3.2 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)行

（1）實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集、傳輸和處理

在現(xiàn)有的傳感器技術(shù)下，采用精準(zhǔn)、可靠的技術(shù)手段對(duì)高度、氣壓、轉(zhuǎn)速等進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，構(gòu)成四旋翼飛行器數(shù)字孿生系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集的主要部分。通過具有相對(duì)成熟的嵌入式技術(shù)的單片機(jī)（STM32F407）進(jìn)行底層的數(shù)據(jù)采集與初步處理。將原始數(shù)據(jù)分為兩部分：一部分用于板載芯片運(yùn)算，并將運(yùn)行算結(jié)果結(jié)合系統(tǒng)中所接收到的數(shù)據(jù)控制四旋翼的實(shí)地飛行；另一部分進(jìn)行清洗、分類、編碼等邊緣處理，形成標(biāo)簽化的數(shù)據(jù)。同時(shí)，將預(yù)處理好的數(shù)據(jù)通過無(wú)線通訊技術(shù)（采用的ZigBee無(wú)限透?jìng)鳎┥蟼鞅镜財(cái)?shù)據(jù)庫(kù)。至此，所設(shè)計(jì)的四旋翼飛行器的數(shù)字孿生系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集服務(wù)系統(tǒng)可分為四層[26]：

①數(shù)據(jù)采集層：大量分布的各類型高精度傳感器是整個(gè)孿生系統(tǒng)的最前端，在整個(gè)孿生系統(tǒng)中起到了基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)采集作用。

②邊緣處理層：主要對(duì)所采集的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行清洗、分類等預(yù)處理。

③數(shù)據(jù)傳輸層：數(shù)據(jù)的高速傳輸是整個(gè)系統(tǒng)正常運(yùn)作的保障，結(jié)合設(shè)計(jì)中的實(shí)際工程需求，采用ZigBee的無(wú)線透?jìng)骷夹g(shù)可以實(shí)現(xiàn)端到端的穩(wěn)定傳輸，為系統(tǒng)實(shí)時(shí)性、高保真性提供了技術(shù)支持。

④數(shù)據(jù)存儲(chǔ)層：為充分利用所采集的數(shù)據(jù)，并進(jìn)行后期的系統(tǒng)管理，對(duì)經(jīng)過預(yù)處理的數(shù)據(jù)借助無(wú)線傳輸技術(shù)上傳本地離線數(shù)據(jù)庫(kù)Hive，進(jìn)行壓縮存儲(chǔ)，集中管理。

整個(gè)數(shù)據(jù)的處理流程如圖4所示。

圖4 數(shù)據(jù)處理流程Fig.4 Data processing flow

（2）數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)虛擬空間運(yùn)行

數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)，是現(xiàn)今學(xué)術(shù)界研究的前沿領(lǐng)域和實(shí)現(xiàn)智能制造的發(fā)展趨勢(shì)。物理實(shí)體與虛擬空間的精準(zhǔn)映射，是實(shí)現(xiàn)數(shù)字孿生系統(tǒng)正確運(yùn)行的前提。在此背景下，借助Hadoop的大數(shù)據(jù)處理技術(shù)，建立數(shù)據(jù)交互的管理系統(tǒng)，通過對(duì)離線數(shù)據(jù)庫(kù)Hive中存儲(chǔ)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行特定的數(shù)據(jù)分析與轉(zhuǎn)化操作，得到虛擬空間能夠直接運(yùn)行操作的輸入，并以特定頻率對(duì)虛擬空間的映射狀態(tài)進(jìn)行刷新，保證數(shù)字孿生系統(tǒng)虛實(shí)部分的高度一致。當(dāng)用戶根據(jù)虛擬空間所模擬的特定約束模型對(duì)虛擬實(shí)體進(jìn)行相應(yīng)操作時(shí)，所得到的數(shù)據(jù)將具有較高的可信度，同時(shí)通過TCP協(xié)議上傳數(shù)據(jù)庫(kù)，再經(jīng)過Hadoop的相關(guān)大數(shù)據(jù)處理技術(shù)，可用于物理實(shí)體的操作指令與狀態(tài)預(yù)測(cè)。真正實(shí)現(xiàn)“以實(shí)映虛，以虛控實(shí)，虛實(shí)共生”。

3.3 服務(wù)界面開發(fā)

服務(wù)界面的開發(fā)是對(duì)功能層部分功能的實(shí)現(xiàn)，主要目的在于給使用者提供人機(jī)交互良好的使用環(huán)境，能夠以更加直觀的方式去理解可控制復(fù)雜系統(tǒng)的運(yùn)行模式。具體操作是在Windows平臺(tái)下，采用VS自帶的MFC框架進(jìn)行上位機(jī)的界面開發(fā)。上位機(jī)主要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)接收與顯示、動(dòng)作控制與PID調(diào)參的功能，SolidWorks的API插件程序可利用存放本地的接收的數(shù)據(jù)，進(jìn)行姿態(tài)實(shí)時(shí)顯示。

MFC開發(fā)的上位機(jī)界面（如圖5所示）主要包括四項(xiàng)主要功能：

圖5 飛控上位機(jī)界面Fig.5 Flight control host computer interface

（1）飛行姿態(tài)：飛行姿態(tài)頁(yè)面主要功能是實(shí)時(shí)地顯示飛行器的飛控狀態(tài)，包括傳感器數(shù)據(jù)，接收機(jī)數(shù)據(jù)與由原始數(shù)據(jù)計(jì)算出來的ROW、PIT、YAW數(shù)值。這一項(xiàng)功能，旨在從數(shù)值的角度監(jiān)測(cè)四旋翼的飛控狀態(tài)。

（2）PID調(diào)參：這一項(xiàng)的操作界面主要包括“讀取”“寫入”與“恢復(fù)默認(rèn)值”三個(gè)功能，分別實(shí)現(xiàn)對(duì)PID的實(shí)時(shí)獲取與遠(yuǎn)端修改，并且修改過的有效值會(huì)被上傳本地?cái)?shù)據(jù)庫(kù)，從而對(duì)虛擬模型也能造成影響，實(shí)現(xiàn)物理層與孿生層的嚴(yán)格映射關(guān)系。

（3）飛行控制：飛行控制界面，可以通過輸入具體的指令（如前進(jìn)、上升等指令），對(duì)物理層與虛擬模型的飛控狀態(tài)進(jìn)行調(diào)整。

（4）其他設(shè)置：其他設(shè)置窗口主要實(shí)現(xiàn)的是對(duì)所接收的原始數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)呈現(xiàn)，此外通過添加波形控件，可以實(shí)現(xiàn)接近1 000 Hz輸出速率的波形顯示。可以通過對(duì)波形的觀察，直觀地進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)參。

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

系統(tǒng)實(shí)際工作過程如下：

（1）系統(tǒng)啟動(dòng)初期，物理層就以不低于50 Hz的頻率上傳狀態(tài)數(shù)據(jù)至本地?cái)?shù)據(jù)庫(kù)，接著虛擬層依據(jù)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行虛實(shí)狀態(tài)匹配，如圖6所示。

圖6 虛實(shí)狀態(tài)匹配Fig.6 Virtual and real state matching

（2）匹配成功后，板載高精度傳感器（主要用于數(shù)據(jù)采集、處理）從運(yùn)行環(huán)境中采集數(shù)據(jù)，并通過板載控制核心進(jìn)行分類、運(yùn)算和上傳，采用的是ZigBee點(diǎn)對(duì)點(diǎn)模式，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的0%丟包率，如圖7所示。

圖7 采集的原始數(shù)據(jù)Fig.7 Raw data collected

（3）本地?cái)?shù)據(jù)庫(kù)基于Hadoop數(shù)據(jù)分析技術(shù)，對(duì)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行關(guān)聯(lián)、分析、融合，用于系統(tǒng)的數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)，包括虛擬層的映射和服務(wù)層的功能實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)搭載的Hive數(shù)據(jù)庫(kù)，其對(duì)于日志分析、海量結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)等的離線分析具有重大優(yōu)勢(shì)，充分提高了歷史數(shù)據(jù)的整理與循環(huán)利用效率。

（4）基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的基本原理，運(yùn)用MATLAB軟件的Simulink模塊對(duì)虛擬層的控制模型進(jìn)行仿真，得到的數(shù)據(jù)可與歷史數(shù)據(jù)等共同優(yōu)化控制系統(tǒng)，對(duì)飛行器的各種運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行簡(jiǎn)單的預(yù)測(cè)和評(píng)估。以四旋翼的啟動(dòng)與調(diào)速兩種狀態(tài)的電機(jī)轉(zhuǎn)速為例，如圖8、圖9所示，主要包括的曲線為實(shí)際轉(zhuǎn)速（實(shí)際飛行中得到的轉(zhuǎn)速曲線）、仿真轉(zhuǎn)速（引入虛擬層仿真模型矯正后的轉(zhuǎn)速曲線）。

圖8 控制模型的啟動(dòng)仿真Fig.8 Start-up simulation of control model

圖9 控制模型的降速仿真Fig.9 Speed reduction simulation of control model

具體的驗(yàn)證操作是，先基于傳統(tǒng)串級(jí)PID控制模型進(jìn)行轉(zhuǎn)速實(shí)測(cè)得到實(shí)際轉(zhuǎn)速曲線，之后在相同的控制指令下，利用Simulink調(diào)用PID控制模型進(jìn)行仿真，并結(jié)合經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛯?duì)實(shí)際整定過程中的控制參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整，從而得到最終的控制參數(shù)與圖中的仿真轉(zhuǎn)速曲線。引入虛擬層仿真矯正后的控制模型相同的控制指令（啟動(dòng)與降速），不難看出兩種模型的仿真曲線十分接近，通過實(shí)際計(jì)算發(fā)現(xiàn)引入虛擬層仿真模型矯正后的轉(zhuǎn)速變化相比于傳統(tǒng)控制模型的轉(zhuǎn)速變化，超調(diào)量減小了2.1%，達(dá)到穩(wěn)態(tài)的調(diào)節(jié)時(shí)間平均加快3.3%。故得出結(jié)論：可通過虛擬層的間接仿真來優(yōu)化實(shí)際工程中的參數(shù)整定，從而達(dá)到提高控制精度、降低系統(tǒng)開發(fā)成本等目標(biāo)。

（5）系統(tǒng)服務(wù)層從數(shù)據(jù)庫(kù)得到部分實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，同時(shí)可以圖表的形式進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示，優(yōu)化用戶的交互體驗(yàn)。以飛行過程中各個(gè)電機(jī)轉(zhuǎn)速和主控芯片計(jì)算所得的歐拉角為例進(jìn)行分析，如圖10、圖11所示。

圖10 加速度計(jì)波形Fig.10 Waveform of accelerometer

圖11 歐拉角數(shù)值波形Fig.11 Waveform of Euler angle value

通過四旋翼的多次實(shí)地飛行測(cè)試，所提出的數(shù)字孿生系統(tǒng)框架，能夠有效體現(xiàn)“虛實(shí)結(jié)合”的控制理念，對(duì)于有效促進(jìn)飛行器的飛行優(yōu)化與綜合管理具有現(xiàn)實(shí)意義。

5 結(jié)束語(yǔ)

數(shù)字孿生作為十大戰(zhàn)略科技發(fā)展趨勢(shì)之一，是連接制造物理世界和數(shù)字虛擬世界的最佳紐帶。數(shù)字孿生系統(tǒng)的開發(fā)與進(jìn)步，不僅對(duì)于各個(gè)行業(yè)的效率提高具有重要意義，更是實(shí)現(xiàn)智能化制造與服務(wù)的必然選擇。本文基于四旋翼飛行器和數(shù)字孿生的基本概念，搭建了包括物理層、虛擬層、孿生數(shù)據(jù)層和功能層在內(nèi)的系統(tǒng)體

系架構(gòu)；通過對(duì)物理實(shí)體與運(yùn)行環(huán)境進(jìn)行具體的建模，達(dá)到實(shí)時(shí)的虛實(shí)映射；采用Hadoop數(shù)據(jù)分析技術(shù)和Hive離線數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)搭建用于孿生數(shù)據(jù)分析、處理的數(shù)據(jù)服務(wù)平臺(tái)，并建立了虛擬空間的反向輸出優(yōu)化通道，為“以虛控實(shí)”奠定了基礎(chǔ)；最后采用VS開發(fā)了一套控制交互界面，可以更加直觀地監(jiān)測(cè)系統(tǒng)運(yùn)行，并經(jīng)過實(shí)地的飛行驗(yàn)證了數(shù)字孿生系統(tǒng)的實(shí)用性。但是，數(shù)字孿生作為多學(xué)科、多尺度、多模型的技術(shù)手段，本文的設(shè)計(jì)系統(tǒng)仍然存在建模不完備、數(shù)據(jù)融合不徹底和智能評(píng)估策略不完整等問題，對(duì)于這些問題的攻克，必將進(jìn)一步提高四旋翼系統(tǒng)的運(yùn)行效益。