1、概述

無人機飛控半實物實驗平臺是集教學與科研目的為一體的多功能實驗臺，其在滿足日常學生教學實驗的同時，兼顧無人機飛行控制及飛行力學等學科專業(yè)的科學研究。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）基于模型的設計思路；

（2）支持多旋翼、固定翼等小型無人機飛控系統(tǒng)設計驗證；

（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；

? 支持模型預測控制、滑模變結構等復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)學仿真實驗

? MATLAB/SIMULINK基礎仿真試驗  ? 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)學仿真試驗

? 數(shù)學仿真模型

小型固定翼飛機的數(shù)學模型，包括飛控、動力學和傳感器三個子系統(tǒng)。

飛控算法采用雙閉環(huán)PID控制結合速度前饋，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，響應快，延遲短。

動力學建模是通過對飛行器的飛行原理和各種運動狀態(tài)下的受力關系進行分析，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)境下進行數(shù)學仿真，通過GUI界面，可以輸入滾轉、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，最大限度的復用了數(shù)學仿真的成果，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，其中用戶主要負責控制算法部分，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，運行飛機的動力學模型，通過硬件接口和飛控板構成閉環(huán)仿真環(huán)境。飛機動力學模型主要包括三個部分，動力學算法、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  ?哈爾濱工業(yè)大學  ?中南大學  ?河北科技大學  ?西安電子科技大學 ?浙大城市學院  ?河海大學  ?珠海科技學院  ?濱州學院  ?四川輕化工學院  ?南昌航空大學 ?華東交通大學  ?湖北工業(yè)大學  ?桂林航天工業(yè)學院  ?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