無(wú)人機(jī)飛控半實(shí)物實(shí)驗(yàn)平臺(tái)是集教學(xué)與科研目的為一體的多功能實(shí)驗(yàn)臺(tái)，其在滿(mǎn)足日常學(xué)生教學(xué)實(shí)驗(yàn)的同時(shí)，兼顧無(wú)人機(jī)飛行控制及飛行力學(xué)等學(xué)科專(zhuān)業(yè)的科學(xué)研究。平臺(tái)主要由實(shí)時(shí)仿真機(jī)、三維飛行視景系統(tǒng)、地面站系統(tǒng)、遙控器和飛控板組成。

1、概述

無(wú)人機(jī)飛控半實(shí)物實(shí)驗(yàn)平臺(tái)是集教學(xué)與科研目的為一體的多功能實(shí)驗(yàn)臺(tái)，其在滿(mǎn)足日常學(xué)生教學(xué)實(shí)驗(yàn)的同時(shí)，兼顧無(wú)人機(jī)飛行控制及飛行力學(xué)等學(xué)科專(zhuān)業(yè)的科學(xué)研究。平臺(tái)主要由實(shí)時(shí)仿真機(jī)、三維飛行視景系統(tǒng)、地面站系統(tǒng)、遙控器和飛控板組成。

2、特征優(yōu)勢(shì)

（1）基于模型的設(shè)計(jì)思路；

（2）支持多旋翼、固定翼等小型無(wú)人機(jī)飛控系統(tǒng)設(shè)計(jì)驗(yàn)證；

（3）支持飛控快速控制原型；

（4）支持PIXHAWK和APM：

? 提供專(zhuān)門(mén)的SIMULINK模塊庫(kù)，包括傳感器、舵機(jī)、GPS、控制模式、鏈路接口等；

? 支持模型預(yù)測(cè)控制、滑模變結(jié)構(gòu)等復(fù)雜控制算法的直接代碼生成；

? 支持控制器自定義參數(shù)的在線(xiàn)修改；

（5）支持硬件在回路仿真試驗(yàn)：

? 基于Simulink建立飛機(jī)動(dòng)力學(xué)模型；

? 實(shí)時(shí)仿真機(jī)和飛控完成硬件閉環(huán)；

? 支持在線(xiàn)調(diào)參和曲線(xiàn)監(jiān)視。

3、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

?數(shù)學(xué)仿真實(shí)驗(yàn)

? MATLAB/SIMULINK基礎(chǔ)仿真試驗(yàn)  ? 單軸姿態(tài)控制試驗(yàn)  ? 三軸姿態(tài)控制試驗(yàn)   ? 外部環(huán)境擾動(dòng)試驗(yàn)   ? 傳感器誤差試驗(yàn)

?半實(shí)物仿真實(shí)驗(yàn)

? 搭建半實(shí)物仿真平臺(tái)  ? 單軸姿態(tài)控制半實(shí)物試驗(yàn)  ? 三軸姿態(tài)控制半實(shí)物試驗(yàn)  ? 外部環(huán)境擾動(dòng)半實(shí)物試驗(yàn)  ? 傳感器誤差半實(shí)物試驗(yàn)

?控制器快速原型開(kāi)發(fā)試驗(yàn)

? 多旋翼飛控快速原型  ? 固定翼飛控快速原型   ? 直升機(jī)飛控快速原型

4、實(shí)驗(yàn)示例

（1）固定翼三軸姿態(tài)控制數(shù)學(xué)仿真試驗(yàn)

? 數(shù)學(xué)仿真模型

小型固定翼飛機(jī)的數(shù)學(xué)模型，包括飛控、動(dòng)力學(xué)和傳感器三個(gè)子系統(tǒng)。

飛控算法采用雙閉環(huán)PID控制結(jié)合速度前饋，其外環(huán)為角度（angle）控制，角度值是由濾波與姿態(tài)解算后得到的歐拉角，有延遲且存在誤差，單閉環(huán)無(wú)法實(shí)現(xiàn)姿態(tài)控制過(guò)程。在此基礎(chǔ)上引入內(nèi)環(huán)，內(nèi)環(huán)選擇角速度（rate）控制，角速度由陀螺儀直接測(cè)量得到，誤差小，響應(yīng)快，延遲短。

動(dòng)力學(xué)建模是通過(guò)對(duì)飛行器的飛行原理和各種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的受力關(guān)系進(jìn)行分析，參考牛頓-歐拉方程建立仿真模型。

? GUI界面

模型建立好之后，可以再SIMULINK環(huán)境下進(jìn)行數(shù)學(xué)仿真，通過(guò)GUI界面，可以輸入滾轉(zhuǎn)、俯仰、偏航、油門(mén)等控制量，對(duì)飛機(jī)的姿態(tài)等數(shù)據(jù)以三維和曲線(xiàn)進(jìn)行可視化顯示。

（2）四旋翼飛控快速控制原型試驗(yàn)

飛控快速控制原型是將用戶(hù)的SIMULINK算法模型直接生成嵌入式可執(zhí)行程序，下載到實(shí)際的飛控板中，代替了傳統(tǒng)的手動(dòng)編寫(xiě)代碼的方式，最大限度的復(fù)用了數(shù)學(xué)仿真的成果，降低了人為編寫(xiě)代碼出錯(cuò)的概率。

飛控快速原型模型包括控制算法和接口模塊兩大部分，其中用戶(hù)主要負(fù)責(zé)控制算法部分，接口部分為我司提供，主要包括遙控輸入、傳感器和姿態(tài)輸入、PWM輸出等模塊，接口模塊匹配真實(shí)的飛控板硬件。模型建好后，經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單配置，可以一鍵生成代碼和可執(zhí)行程序。

（3）固定翼三軸姿態(tài)控制半實(shí)物仿真實(shí)驗(yàn)

飛控軟硬件開(kāi)發(fā)完成后，可以通過(guò)半實(shí)物仿真試驗(yàn)的方式進(jìn)行地面驗(yàn)證。本平臺(tái)提供一臺(tái)半實(shí)物仿真機(jī)，運(yùn)行飛機(jī)的動(dòng)力學(xué)模型，通過(guò)硬件接口和飛控板構(gòu)成閉環(huán)仿真環(huán)境。飛機(jī)動(dòng)力學(xué)模型主要包括三個(gè)部分，動(dòng)力學(xué)算法、飛控接口和三維視景接口。半實(shí)物仿真模型如下圖所示：

模型建好之后，經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單配置，可以一鍵生成代碼和可執(zhí)行程序，通過(guò)仿真管理軟件RT-SIM加載到實(shí)時(shí)仿真機(jī)中運(yùn)行。RT-SIM可以完成模型加載，在線(xiàn)改參和實(shí)時(shí)監(jiān)視，組態(tài)界面等功能，便于調(diào)試。

5、選型配置

6、部分用戶(hù)

?北京航空航天大學(xué)  ?哈爾濱工業(yè)大學(xué)  ?中南大學(xué)  ?河北科技大學(xué)  ?西安電子科技大學(xué) ?浙大城市學(xué)院  ?河海大學(xué)  ?珠?？萍紝W(xué)院  ?濱州學(xué)院  ?四川輕化工學(xué)院  ?南昌航空大學(xué) ?華東交通大學(xué)  ?湖北工業(yè)大學(xué)  ?桂林航天工業(yè)學(xué)院  ?農(nóng)業(yè)農(nóng)村部南京農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所 ?北京華元空天科技有限公司 ?中國(guó)空氣動(dòng)力研究發(fā)展中心