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當前位置:首頁產(chǎn)品中心光學圖像無人機飛控設計與仿真實驗室建設方案
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更新時間:2024-11-19
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隨著無人機在各個領域的快速發(fā)展和廣泛應用,對于培養(yǎng)適應時代需求的高素質人才提出了更高的要求。無人機不僅僅是一種工具,更是一門涵蓋自動控制、機械、電子、計算機等多學科知識的綜合技術。在這一背景下,建設無人機飛行控制教學實驗室成為高校不可少的重要舉措。通過這個實驗室,可以為學生提供實踐培訓的機會,讓他們深入了解無人機飛行的基本原理和控制技術,培養(yǎng)他們的創(chuàng)新能力、解決問題的能力以及團隊合作意識。此外,無人機飛行控制教學實驗室也有助于高校與相關產(chǎn)業(yè)界緊密合作,促進科研成果的轉化和實際應用,為推動無人機技術的發(fā)展和培養(yǎng)適應未來社會需求的人才做出積極貢獻。
二、無人機飛控設計與仿真實驗室建設方案概述
無人機飛行控制教學實驗的建設采取虛實結合、循序漸進的方式,開展無人機飛行控制系統(tǒng)軟件仿真實驗,硬件在環(huán)仿真實驗和實飛驗證實驗,幫助學生建立無人機飛行控制系統(tǒng)的整體概念、理解無人機飛行控制系統(tǒng)的體系結構。
本實驗系統(tǒng)立足本科教學需求,兼具科研用途。采用符合實際無人機的動力學模型,建立具有實際無人機系統(tǒng)控制增穏、自動駕駛和飛行管理分層架構的飛行控制系統(tǒng)基本結構,直觀展示飛行控制系統(tǒng)架構和邏輯以及無人機飛行控制過程,使學生可以更深入理解所學理論知識,也能夠通過實際的飛行現(xiàn)象,建立無人機系統(tǒng)應用的相關概念。
三、無人機飛控設計與仿真實驗室建設方案總體系統(tǒng)設計
本系統(tǒng)基于Matlab/Simulink環(huán)境開發(fā),基于模型的設計理念,使學生以直觀的方式設計和修改飛行控制律結構和參數(shù),同時采用模塊化的飛行控制軟件架構,可以分模塊進行實驗。
項目研究技術方案如下圖所示:
本平臺可劃分為以下幾個子系統(tǒng),具體組成如下:
四、分系統(tǒng)設計
4.1 無人機飛行控制律仿真實驗系統(tǒng)
本系統(tǒng)主要通過無人機和飛行控制系統(tǒng)的數(shù)學模型仿真飛行過程,通過圖形化界面展示無人機飛行控制結構和飛行管理邏輯,并通過三維動畫展現(xiàn)無人機飛行控制效果。
4.2 無人機飛行動力學與飛行控制實時仿真與驗證系統(tǒng)
主要演示無人機飛行控制系統(tǒng)的具體工作原理,包含實際的飛行控制系統(tǒng)傳感器,利用轉臺等輔助裝置模擬無人機的飛行動態(tài),實現(xiàn)飛行控制系統(tǒng)硬件在環(huán)工作,使學生直觀感受無人機飛行控制系統(tǒng)的內(nèi)部工作過程。該實驗系統(tǒng)以演示性實驗為主,同時支持傳感器濾波實驗的開展。
4.3無人機地面站仿真系統(tǒng)
本系統(tǒng)主要模擬無人機“機站鏈"一體化控制結構和人在回路中的無人機控制方式,實現(xiàn)地面操控員與無人機飛行控制系統(tǒng)的交互,使學員認識和體會無人機飛行控制和飛行管理的全過程。
4.4 無人機飛行控制系統(tǒng)硬件設計與實驗系統(tǒng)
本系統(tǒng)主要通過實際無人機飛行過程,使學生理解無人機飛行控制系統(tǒng)的實際工作過程和實際現(xiàn)象,使學員對飛行控制原理建立直觀的理解,提高學員的學習興趣,輔助學員建立無人機系統(tǒng)飛行的整體認識。同時也可作為學員課外創(chuàng)新,提高動手能力的實驗平臺。
4.5 多旋翼無人機實驗系統(tǒng)
多旋翼無人機實驗系統(tǒng)支持全機臺架調(diào)試和飛行控制器電動三軸轉臺調(diào)試,能夠提供動力學建模、姿態(tài)濾波、姿態(tài)控制律等基礎實驗。
4.6 垂直起降無人機實驗平臺
采用具有垂直起降功能的固定翼飛機作為實驗平臺,既具有旋翼無人機能夠垂直起降,節(jié)省空間的優(yōu)點,又具有固定翼無人機的飛行特性和控制結構,適合于在不具備跑道條件的情況下開展飛行控制實驗。
能夠實現(xiàn)可靠平穩(wěn)的懸停飛行、固定翼平飛以及過渡轉換飛行;能夠開展飛行模態(tài)轉換、控制增穏、航點飛行等實驗內(nèi)容。幫助學員理解和掌握自動控制模態(tài)管理的過程。
硬件指標參數(shù):
機身長度:1400mm;
最大起飛重量:8kg;
翼展:2160mm;
巡航飛行時間:80min;
巡航速度:18m/s;
懸停飛行時間:20min;
最小起飛場地:5m*5m;
通訊控制范圍:15km
故障保護:失控保護、自主返航、失速旋翼輔助等安全保護功能
本系統(tǒng)硬件包括飛行平臺、飛行控制器、遙控器、地面站、差分GPS系統(tǒng)、數(shù)傳圖傳模塊,以及保證無人機可靠飛行的其它附屬設備;
本系統(tǒng)的飛行控制器提供完整飛行控制程序源代碼及控制模型,并包括主要代碼的說明文檔和流程圖,采用與仿真系統(tǒng)一致的模塊化飛行控制律軟件架構,支持基于MATLAB/Simulink的MBD設計方式。
4.7 固定翼無人機實驗平臺
固定翼無人機實驗平臺能夠模擬真實無人機裝備的飛行過程,同時與仿真實驗采用相同的飛行控制律結構。固定翼無人機實驗平臺在具備跑道的外場條件下開展實驗,能夠實驗無人機全過程的飛行控制,具有模擬真實裝備的飛行流程和控制律結構,使學員建立無人機飛行全過程的基本認識,理解無人機飛行控制特點。
飛機硬件指標參數(shù):
機身長度:800mm。
空機重量:1000g。
翼展:1600mm。
最大起飛重量:5kg。
擬采用翼展1.6m以上,技術成熟飛行穩(wěn)定的電動固定翼模型飛機為平臺,并采用與仿真系統(tǒng)一致的飛行控制器硬件和飛行控制律軟件架構,從而驗證控制律的實際效果。
五、總結
該實驗室可以為學生提供真實的操作環(huán)境,讓他們親身參與無人機的設計、組裝、編程和飛行控制等環(huán)節(jié)。通過動手實踐,學生可以更好地理解飛行器的工作原理,掌握飛行控制的關鍵技術,培養(yǎng)解決實際問題的能力。此外,實驗室也為學生提供了與多學科交叉融合的機會,如自動控制、機械設計、電子工程、計算機編程等,從而培養(yǎng)出更全面的工程人才。
無人機飛行控制實驗室還有助于推動科研創(chuàng)新。學生和教師可以在實驗室中開展飛行控制系統(tǒng)的研究,探索新的控制算法、傳感器技術和自主飛行策略。這不僅可以豐富科研成果,也可為無人機技術的進一步發(fā)展做出貢獻。
此外,實驗室還能與產(chǎn)業(yè)界建立緊密聯(lián)系,開展合作研究和項目,促進技術轉化和產(chǎn)業(yè)化。學生通過實際合作項目,可以更好地了解市場需求,培養(yǎng)創(chuàng)業(yè)意識,為未來的就業(yè)和創(chuàng)業(yè)奠定基礎。
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