1. 无人机结构设计
本节提出一种新型的复合式无人机，以下是设计的总体方案。
首先，选定复合式无人机的翼型、雷诺数 [1]、升力系数，通过这些参数确定翼展和翼面积，由此来确定复合式无人机的大体布局，由于是航模对精度要求不大，只需满足自己的需求即可 [2]。
其次，利用solidworks确定无人机的转动惯量和质心等物理参数，为编写Gazebo的SDF代码做准备。
1.1. 无人机的机翼设计
机翼是复合式无人机中固定翼的重要部分，而机翼展长和弦长又是机翼的重要参数，其设计和制造决定无人机飞行的稳定性能和气动性能。
机翼的翼型确定，翼型是机翼等翼面的二维截面，对于机翼和气动性能都很重要，所以在本文中选用比较权威的NACA翼型，由于此飞机是轻量级的复合式无人机，属于低速翼型，往往是圆头具有弯度的厚翼，所以选用NACA四位数的翼型，这里选用NACA6409的翼型，升力系数较大，阻力系数较低，在合乎情理的设计下可以获得最高理论的升租比。二维翼型的参数描述如图1所示 [3]。
1) 选取合适的升力系数
根据所建三维模型，翼肋根部弦长为b0 = 420 mm，翼肋梢部弦长为b1 = 216 mm。复合式无人机重量m是根据所建三维模型，经过评估测量属性，得到质量大约是18 kg，巡航速度设为20 m/s；由于是轻量级亚音速飞机，其展弦比范围是6~12。将翼肋根部弦长和翼肋梢部弦长输入软件Profili 2.2后进行仿真，得出合适的升力系数CL、阻力系数CD和攻角α。根据式(2)，计算出雷诺数为429,000 [4]，这里我们选取雷诺数为400,000，图2和图3是不同雷诺数下的曲线图以及Re = 400,000下部分攻角的气动力系数表表1。
本文计算了机翼攻角从−6˚到13˚下的升阻力系数，从曲线图中看出，攻角在8˚之前呈直线形式上升，在8˚~11˚时增势放缓，攻角11˚时升力系数达到最大；而阻力系数在8˚之前增势平缓，但是超过8˚后呈指数增长；升阻比系数直到6˚时达到最大，往后升阻比系数逐渐下降。
综上，选取攻角为4˚、升力系数1.1050，阻力系数0.0098，接下来将计算复合式无人机的具体尺寸。
Figure 2. Lift drag coefficient curves at different Reynolds numbers
图2. 不同雷诺数下的升力阻力系数曲线图
Figure 3. Graph of lift-drag ratio at different Reynolds numbers
图3. 不同雷诺数下的升阻比曲线图
Table 1. Re = 400,000 Partial aerodynamic coefficients at different angles of attack
表1. Re = 400,000不同攻角下的部分气动力系数
2) 对机翼各部分的计算
通过计算，无人机的机翼参数全部确定，所得参数结果如表2无人机的参数表，机翼三维图如图4。
1.2. 无人机的机身设计
无人机的机身以“大雁”为灵感，整体以流线型为大体设计，减小飞机的整体阻力，并且在机身尾部配有可装东西的空间，机尾装配有螺旋桨；并且机翼两边有副翼。机身结构如图5。
1.3. 无人机的总体布局
复合式无人机采用常规的四旋翼与固定翼的无人机布局方案，即：固定翼机翼两侧的机臂用来安装四旋翼，整体布局呈一个正方形，机体腹部为无人机的质心，如图6所示，其与四旋翼的质心相重合。四旋翼与固定翼错开，以减少旋翼流场与机翼流场的相互干扰，提高无人机的整体稳定性，起落架由四个支撑架组成来提高复合式无人机升降过程的稳定性 [5]。
2. 基于Gazebo的模型
2.1. 创建基本SDF模型
标准化的机器人描述格式是一种描述各种机器人的结构、关节、自由度的XML代码。不能进行实物试验时，常用此种文件进行3D仿真，而三维仿真软件Gazebo中的各种机器人就是基于XML的SDF文件。最基本的元素是连接
和关节
，名称是唯一的。此处设定机身是一个基础连接
，其他连接
都会以此为准进行转动，所以之间还会有一个关节
以此来与基础连接作相对运动。各机构之间的联系如
图7。
Figure 7. Connection diagram of various mechanisms
图7. 各机构连接图
2.2. 添加物理和碰撞属性
如果我们想在Gazebo中仿真的话，那么物理和碰撞属性就是必不可少的，此处我们就需要在所有link中添加inertial和collision元素，并添加无人机的结构数据，来对我们建立的模型进行仿真，这样便于碰撞计算。利用设计出的无人机数据完成的base_link的代码如下图8。
2.3. 添加传感器
在完成模型的大致创建后，需要对无人机添加合适的传感器代码，有的代码在Gazebo中已经完成开发，可以在Gazebo提供的库中直接去调用它，并修改传感器数据，这里用到了GPS、磁力计、气压计、IMU、mavlink，还有电机控制代码等。
3. ROS下的软件在环仿真
ROS是一种机器人操作系统，主要是通过ros master管理器控制节点(node)来执行机器人的每个动作。此处设计一个键盘控制无人机的python脚本，用此节点发布topic消息，Mavros接收到消息后，通过mavlink传给px4_sitl，最后来控制Gazebo中无人机的飞行，以此来达到仿真的目的。
3.1. ROS发布订阅信息
通过python程序去引入服务消息的.py包，如解锁消息类CommandBool、设置模式类SetMode；并且首先要订阅无人机的状态消息如状态类State，所以引入话题消息的.py包；最后如果要使无人机动作的话，引入RC通道值类OverrideRCIn的消息包，至此一个完整的无人机的工作状态确立，可以查看节点状态图9。
3.2. .launch文件
.launch文件将所有的节点都写在一块，省去了每启动一个节点都打开一个终端的动作，.launch文件中有PX4_command.launch节点、启动gazebo节点、启动Mavros节点、启动无人机模型节点等。
3.3. 仿真
在终端命令行启动vtol8_px4.launch文件后，gazebo也会随之启动，会看到自己的模型出现在地图中间，然后启动QGroundControl地面站监控无人机飞行情况，如图10所示，在scripts文件夹下启动外部控制程序python脚本，解锁后，就可以看到图中复合式无人机起飞，起飞效果如下图10所示。
在仿真飞行完成后，利用QGroundControl地面站下载飞行日志后，在PX4官网中上传飞行日志，即可得到飞行的数据，如下图11~14为旋翼模式飞行数据曲线，图15、图16是复合式无人机状态下的飞行日志 [6] [7]。
Figure 11. Rotor mode flight trajectory diagram
图11. 旋翼模式飞行轨迹图
Figure 15. Trajectory diagram of composite flight mode
图15. 复合飞行模式的轨迹图
图11~14为只有四旋翼模式下的手动控制曲线，从图11中曲线可以看出，飞机的飞行高度一直在5米到10米左右，并且进行过一次偏航；如图12所示，也可以看出期间也进行过滚转和俯仰的动作指令，偏航是发生在2分10秒；图13是原始加速度分析，红绿色线与蓝色线隔开，并没有过多发生接触，说明有良好的振动；图14是加速度功率谱密度，理想的情况是，只有少数赫兹的最低部分是黄色，其余部分大多为绿色或蓝色。如图所示只有8Hz以下才是黄色，其他赫兹大部分为蓝绿色，这是极好的振动曲线。从上面的数据分析可知，在利用px4_sitl中的standard_vtol固件的情况下，对所设计的无人机进行仿真，可以达到预期的飞行，也验证所设计无人机的正确性，若进行实物飞行也不会有太大的风险。
图15是在四旋翼和固定翼复合模式的情况下航迹点飞行图，黄色小圈是设定点，可以看到，虽然飞行不稳，但无人机可以到达指定地点；图16可以看出各个执行机构的输出，最底下蓝色为四旋翼模式，红色为过渡模式，此处的无人机飞行缺点是，四旋翼和固定翼模式没有区分，尽管固定翼模式下各个执行机构都在工作，但还是有四旋翼模式工作。
4. 总结
本文首先对复合式无人机结构进行设计，并进行了solidworks绘制；然后利用设计的无人机结构数据，编写基于XML格式的复合式无人机模型代码；最后基于ROS系统利用PX4固件、Gazebo仿真器、QGroundControl地面站对所设计的无人机模型进行了在环仿真，通过PX4飞行日志分析数据，验证设计的复合式无人机四旋翼模式在Gazebo环境中可以正常飞行，起落稳定，四旋翼到固定翼的过渡状态正常切换，所设计的无人机达到了预期效果。本文提供了一种对自己所设计的模型进行仿真和控制开发的新思路，可以大大缩短研发周期。