1、概述

無人機飛控半實物實驗平臺是集教學(xué)與科研目的為一體的多功能實驗臺，其在滿足日常學(xué)生教學(xué)實驗的同時，兼顧無人機飛行控制及飛行力學(xué)等學(xué)科專業(yè)的科學(xué)研究。平臺主要由實時仿真機、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

（1）基于模型的設(shè)計思路；

（2）支持多旋翼、固定翼等小型無人機飛控系統(tǒng)設(shè)計驗證；

（3）支持飛控快速控制原型；

（4）支持PIXHAWK和APM：

? 提供專門的SIMULINK模塊庫，包括傳感器、舵機、GPS、控制模式、鏈路接口等；

? 支持模型預(yù)測控制、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)的在線修改；

（5）支持硬件在回路仿真試驗：

? 基于Simulink建立飛機動力學(xué)模型；

? 實時仿真機和飛控完成硬件閉環(huán)；

? 支持在線調(diào)參和曲線監(jiān)視。

3、實驗內(nèi)容

?數(shù)學(xué)仿真實驗

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

?半實物仿真實驗

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

?控制器快速原型開發(fā)試驗

? 多旋翼飛控快速原型  ? 固定翼飛控快速原型   ? 直升機飛控快速原型

4、實驗示例

（1）固定翼三軸姿態(tài)控制數(shù)學(xué)仿真試驗

? 數(shù)學(xué)仿真模型

小型固定翼飛機的數(shù)學(xué)模型，包括飛控、動力學(xué)和傳感器三個子系統(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)無法實現(xiàn)姿態(tài)控制過程。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量得到，誤差小，響應(yīng)快，延遲短。

動力學(xué)建模是通過對飛行器的飛行原理和各種運動狀態(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GUI界面，可以輸入滾轉(zhuǎn)、俯仰、偏航、油門等控制量，對飛機的姿態(tài)等數(shù)據(jù)以三維和曲線進(jìn)行可視化顯示。

（2）四旋翼飛控快速控制原型試驗

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

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，接口模塊匹配真實的飛控板硬件。模型建好后，經(jīng)過簡單配置，可以一鍵生成代碼和可執(zhí)行程序。

（3）固定翼三軸姿態(tài)控制半實物仿真實驗

飛控軟硬件開發(fā)完成后，可以通過半實物仿真試驗的方式進(jìn)行地面驗證。本平臺提供一臺半實物仿真機，運行飛機的動力學(xué)模型，通過硬件接口和飛控板構(gòu)成閉環(huán)仿真環(huán)境。飛機動力學(xué)模型主要包括三個部分，動力學(xué)算法、飛控接口和三維視景接口。半實物仿真模型如下圖所示：

模型建好之后，經(jīng)過簡單配置，可以一鍵生成代碼和可執(zhí)行程序，通過仿真管理軟件RT-SIM加載到實時仿真機中運行。RT-SIM可以完成模型加載，在線改參和實時監(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

?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)  ?珠海科技學(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)機械化研究所 ?北京華元空天科技有限公司 ?中國空氣動力研究發(fā)展中心