基于Simpack的四旋翼无人机建模与仿真研究

项目背景与目标在MBSE（基于模型的系统工程）项目“DRON-E”中，CENIT AG团队的任务是通过多体动力学仿真软件Simpack构建四旋翼无人机（Quadcopter）的机械模型，并结合Dymola开发的飞行控制器（以FMU形式集成），验证其在复杂场景下的性能。目标是通过仿真满足以下核心需求：稳定性要求：飞行过程中无人机倾斜角不超过30°（确保GPS信号稳定）。速度要求：无人机需以70 km/h的速度飞行且不违反倾斜角限制。抗风能力：在6级风力（BFT）下保持安全操作距离。

2. 建模与工具链2.1 四旋翼动力学基础物理特性：四旋翼通过调节四个螺旋桨转速实现姿态控制，其动力学高度不稳定，需依赖电子控制器（MCU）和传感器（IMU、GPS、气压计等）进行稳定。气动力模型：基于文献（Vanfretti et al., 2020），定义了螺旋桨升力和空气阻力扭矩并通过Simpack的“一致标记点”建模避免大位移导致的力矩计算误差。

2.2 工具集成Simpack：构建机械模型，包括质量、惯量、连接关系及气动力的物理交互。Dymola：开发电机控制单元（MCU），导出为FMU（功能模型单元）嵌入Simpack，形成闭环控制。3DX平台：作为单一数据源，集成模型并管理仿真流程，支持从需求定义到参数调优的全生命周期管理。

3. 仿真与验证3.1 参数调优与实验设计（DoE）控制器优化：通过响应面法（Response Surface）和参数敏感性分析，调整PID控制参数，确保倾斜角在高速飞行（70 km/h）和风切变场景下符合限制。关键结果：初始参数下，无人机在高速飞行时倾斜角超出30°，通过DoE优化后成功满足要求。在6级风力下，位置偏差控制在安全范围内。

3.2 场景验证抗风能力测试：模拟建筑附近的风切变场景，验证无人机位置控制能力。结果显示，优化后的控制器可将横向偏差降低至1.0°以内。传感器融合：通过卡尔曼滤波器融合IMU、GPS数据，提升位置估计精度，确保控制器输入的可靠性。

4. 成果与展望4.1 项目成果MBSE流程验证：3DX平台作为统一数据源，实现了从需求定义到仿真的无缝衔接。控制性能提升：通过FMU集成和参数调优，无人机在复杂场景下的稳定性显著增强。需求达成：所有核心需求（倾斜角、速度、抗风）均通过仿真验证。4.2 未来改进方向模型精细化：引入更真实的气动力模型（如CFD数据）和电动驱动模型。自动化优化：结合Isight工具实现参数自动调优，提升效率。扩展应用：探索柔性体仿真（如螺旋桨耐久性分析）与仿真数据管理（SDM）的深度集成。5. 总结通过Simpack与Dymola的联合仿真，成功验证了四旋翼无人机在MBSE框架下的设计可行性。项目不仅展示了多学科工具链集成的优势，还为复杂机电系统的仿真驱动设计提供了实践范例。未来，团队计划进一步融合数据驱动方法，推动无人机仿真技术向更高保真度和自动化方向发展。关键词：四旋翼无人机、Simpack、MBSE、FMU、参数优化、抗风能力验证