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无人机飞控平台

一、平台概述

        无人机飞控实验平台是集教学与科研目的为一体的多功能实验台,其在满足日常学生教学实验的同时,兼顾无人机飞行控制及力学等学科专业的科学研究。平台主要由实时仿真器、三维飞行视景系统、地面站系统、遥控器和飞控板组成。如下图所示:

二、特征优势

        1、基于模型的设计思路;

        2、支持多旋翼、固定翼、直升机等小型无人机飞控系统设计验证;

        3、支持飞控快速控制原型;

        4、支持PIXHAWK和APM:

          ❋ 提供专门的SIMULINK模块库,包括传感器、舵机、GPS、控制模式、链路接口等;

          支持模型预测控制、滑模变结构等复杂控制算法的直接代码生成;

          支持控制器自定义参数的在线修改;

        5、支持硬件在回路仿真试验:

          ❋ 基于Simulink建立飞机动力学模型;

          ❋ 实时仿真机和飞控完成硬件闭环;

          ❋ 支持在线调参和曲线监视。

三、实验内容

        1、数学仿真实验

            MATLAB/SIMULINK基础仿真试验                               单轴姿态控制试验                                 ❋ 三轴姿态控制试验

            外部环境扰动试验                                                        传感器误差试验 

        2、半实物仿真实验

          ❋ 搭建半实物仿真平台                                       单轴姿态控制半实物试验                                     三轴姿态控制半实物试验

          外部环境扰动半实物试验                                传感器误差半实物试验

        3、控制器快速原型开发试验

          ❋ 多旋翼飞控快速原型                                       固定翼飞控快速原型                                            直升机飞控快速原型

         4、台架及飞行试验

           ❋ 台架滚转俯仰姿态控制试验                             台架偏航控制试验                                               台架三轴姿态控制试验

           外场飞行试验

四、实验示例

1、固定翼三轴姿态控制数学仿真试验

数学仿真模型

        上图为小型固定翼飞机的数学模型,使用MATLAB/SIMULINK搭建,包括飞控、动力学和传感器三个子系统。

        飞控算法采用双闭环PID控制结合速度前馈,其外环为角度(angle)控制,角度值是由滤波与姿态解算后得到的欧拉角,有延迟且存在误差,单闭环无法实现姿态控制过程。在此基础上引入内环,内环选择角速度(rate)控制,角速度由陀螺仪直接测量得到,误差小,响应快,延迟短。

         动力学建模是通过对飞行器的飞行原理和各种运动状态下的受力关系进行分析,参考牛顿-欧拉方程建立仿真模型。

GUI界面

        模型建立好之后,可以再SIMULINK环境下进行数学仿真,我们提供了一套GUI界面,可以输入滚转、俯仰、偏航、油门等控制量,对飞机的姿态等数据以三维和曲线进行可视化显示。

2、四旋翼飞控快速控制原型试验

        飞控快速控制原型是将用户的SIMULINK算法模型直接生成嵌入式可执行程序,下载到实际的飞控板中,代替了传统的手动编写代码的方式,最大限度的复用了数学仿真的成果,降低了人为编写代码出错的概率。

        飞控快速原型模型包括控制算法和接口模块两大部分,其中用户主要负责控制算法部分,接口部分为我司提供,主要包括遥控输入、传感器和姿态输入、PWM输出等模块,接口模块匹配真实的飞控板硬件。模型建好后,经过简单配置,可以一键生成代码和可执行程序。

3、固定翼三轴姿态控制半实物仿真实验

        飞控软硬件开发完成后,可以通过半实物仿真试验的方式进行地面验证。本平台提供一台半实物仿真机,运行飞机的动力学模型,通过硬件接口和飞控板构成闭环仿真环境。飞机动力学模型主要包括三个部分,动力学算法、飞控接口和三维视景接口。半实物仿真模型如下图所示:

        模型建好之后,经过简单配置,可以一键生成代码和可执行程序,通过仿真管理软件RT-SIM加载到实时仿真机中运行。RT-SIM可以完成模型加载,在线改参和实时监视,组态界面等功能,便于调试。

五、现有用户

        ❋ 北京航空航天大学                                河北科技大学                                西安电子科技大学

        ❋ 四川理工学院

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