多旋翼无人机远程控制实践 课件 ch03

实验流程多旋翼无人机远程控制实践第3章01总体介绍01020304打开例程，阅读并运行程序代码，然后观察并记录分析数据。基础实验在上述两个实验的基础上，针对给定的任务，进行独立设计。设计实验指导读者修改例程，运行修改后的程序并收集和分析数据。分析实验在设计实验的基础上，针对给定的任务，进行独立设计并运用于真实的多旋翼。实飞实验总体介绍总体介绍对于基础实验和分析实验，本书会提供完整的例程，以此保证所有的读者都可以顺利完成实验。通过以上两个分步实验，读者能较好地了解实验的理论和其应用方法。在设计实验中，读者只需在原有的架构上逐一替换成自己的设计模块，并进行硬件在环仿真测试。通过实飞实验，读者能将自主设计开发的算法用于真实的多旋翼飞行测试。整个过程由浅入深，便于一步一步达到最终的实验目标。总体介绍基础实验、分析实验和设计实验都包括仿真1.0和仿真2.0，其中设计实验还包括硬件在环仿真。这里的仿真1.0采用的模型是简化的线性模型，通常是利用系统辨识得到的，可以用于模拟模型开发；而仿真2.0采用的模型是高逼真的非线性模型，用于模拟模型开发到真实飞行器上的迁移。实飞实验包括仿真1.0和实飞，这里的仿真1.0采用的模型也是简化的线性模型。总体介绍仿真阶段总得来说，实验可以划分为两个阶段：仿真阶段和实飞阶段。仿真阶段需要经历“仿真1.0→仿真2.0→硬件在环仿真”。仿真1.0采用的多旋翼模型是设计模型，而仿真2.0使用的是一个高保真的非线性模型。通过“系统辨识”实验，对仿真2.0使用的高保真非线性模型进行系统辨识，可以得到传递函数模型，也称为设计模型。总体介绍实飞阶段实飞阶段需要经历“仿真1.0→实飞实验”。仿真1.0采用对真实多旋翼进行“系统辨识”实验得到的设计模型，而实飞实验是在真实多旋翼上进行的。在每个实验设计完成后，需要在MATLAB/Simulink中实现，并在搭建好的设计模型仿真平台中进行仿真测试。之后，读者需要将通过仿真测试的控制器，应用于真实的多旋翼。02定点控制实验流程(1)给定定点指令，其中水平前向通道和水平侧向通道的定点指令范围为[-1，1]，高度通道定点指令范围为[0，-2]，以及偏航角通道角度控制指令范围为[-∏，∏]。(2)速度反馈的三个分量用“ux”“uy”和“uz”表示(单位：m/s)，分别代表水平前向速度、水平侧向速度和垂直速度。(3)欧拉角反馈量为“AngEuler”中的偏航角。输入数据实验目标对多旋翼模型的直接控制指令，也就是速度指令和偏航角速率指令。输出数据实验目标多旋翼保持在高度为1m，偏航角为0的情况下，从任意定点到达(1，1，1)位置。期望效果步骤一：控制器设计这里我们给出一个设计好的例子，见文件“e0\sim1.0\samplel.slx”。打开该文件，如图3.1所示。该模型中“Model”模块采用的是设计模型(线性模型)。请仔细观察和分析其中的子模块的实现方法，并进行功能完善。仿真1.0仿真实验流程仿真实验流程步骤二：建立控制器子模块打开图3.1中的“ControlInput”模块，设定相应的定点期望。设置完定点期望后，打开图3.1中的“Controller”模块，查看各个通道的定点控制器形式和内容。如图3.3所示是控制器的内部形式。具体原理可参见第2章2.2.2节的控制器模块部分。仿真1.0仿真实验流程仿真实验流程步骤三：开始仿真双击MATLAB文件“startSimulation.m”，并单击作界面中的“运行”(Run)按钮，然后单击Simulink工具栏“开始仿真”按钮开始仿真。水平前向通道、水平侧向通道和高度通道的仿真结果可以通过运行文件“e0plot.m”得到，如图3.4所示，这三个变量从起点位置迅速到达(1，1，1)位置，达到了预期效果。仿真1.0仿真实验流程仿真实验流程仿真实验流程仿真2.0步骤一：控制器设计此处控制器和仿真1.0相同。步骤二：替换多旋翼模型打开“e0\sim1.0\samplel.slx”，将“Model”模块里的传递函数模型替换成非线性模型，然后按要求设置期望输入。这里我们给出一个设计好的例子，见文件“e0\sim2.0\samplel.slx”，其与“e0\sim1.0\samplel.slx”的区别在于此处的多旋翼模型为非线性模型。仿真实验流程仿真2.0步骤三：开始仿真双击文件“FlightGear-Start.bat”打开FlightGear，然后双击“startSimulation.m”文件并单击“运行”；接着在Simulink工具栏中单击“开始仿真”按钮。此时，可以在FlightGear视景中(见图3.5)观察到：多旋翼爬升一段时间后到达指定定点。这说明控制器实现了预期要求。仿真实验流程仿真2.0硬件在环仿真需要准备装配有RflySim和MATLABR2017b及以上版本的计算机，以及如图3.6所示的Pixhawk自驾仪和USB数据线。本书使用的自驾仪是Pixhawk4，固件版本为1.10.1。步骤一：连接硬件将Pixhawk自驾仪与计算机通过USB数据线连接。硬件在环仿真仿真实验流程步骤二：选择HIL脚本(1)对于单机仿真，打开桌面“RflyTools”文件夹，直接打开图3.7中的“HITLRun脚本文件，将弹出命令行。插入Pixhawk自驾仪后，图中将会显示串口号，如这里是“3”，只需把该串口号输入下方即可。硬件在环仿真仿真实验流程步骤二：选择HIL脚本(2)对于多机仿真，需要将多个Pixhawk自驾仪连接计算机。同时按照路径“[安装盘]：\PX4PSP\RfySimAPIs\SimulinkSwarmAPI”找到名称为“HTLRunUdpFull.bat”的文件，双击后弹出的命令行。注意，此时命令行中提示的串口号个数应与连接的自驾仪个数一致，需要在下方输入所有给出的串口号，每个串口号用逗号分隔开。硬件在环仿真仿真实验流程仿真实验流程硬件在环仿真步骤三：一键启动HIL在填写完串口号后，按下回车键，系统会自动打开所有与硬件在环仿真相关的Rfly-Sim软件，包括RflySim3D、CopterSim和QGC地面站，如图3.9所示。步骤四：运行MATLAB程序打开MATLABR20176及以上版本以及打开要运行的Simulink模型，单击“运行”按钮便可以实现自驾仪硬件在环仿真，仿真结果通过RfySim3D软件实时显示。仿真实验流程硬件在环仿真步骤五：关闭HIL实验完成后，再次回到命令行，按任意键退出，系统将自动关闭所有打开的RflySim软件。若需要更多资料，请访问https://或https:///中的“集群控制”开发部分。实飞实验流程步骤一：控制器设计新建一个Simulink文件，在其中设计多旋翼的定点控制器，设计要求与仿真阶段的要求一致。

这里我们给出一个设计好的例子，见文件“e0\sim1.0\sample2.slx”，打开该文件后的Simulink框图如图3.11所示。仿真1.0实飞实验流程步骤二：建立控制器子模块打开图3.11中的“ControlImput”模块，设定相应的定点期望。设置完定点期望后，打开图3.11中的“Controller”模块，查看各个通道的定点控制器形式和内容。控制器的内部形式，具体原理可参见第2章2.2.2节的控制器模块部分仿真1.0实飞实验流程步骤三：开始仿真双击MATLAB文件“startSimulation.m”并单击“运行”按钮，然后单击Simulink工具栏“开始仿真”按钮，如图2.18所示，开始仿真。水平前向通道、水平侧向通道和高度通道的仿真结果如图3.14所示，这三个变量从(0，0，0)迅速到达(1，1，1)位置，达到了预期效果。仿真1.0实飞实验流程实飞实验步骤一：控制器设计控制器与仿真1.0控制器相同，实飞实验相对复杂，可根据需要对控制参数进行微调。这里我们给出一个设计好的例子，见文件“e0Rfly\samplel.slx”，打开该文件后的Simulink框图。实飞实验流程实飞实验步骤二：建立控制器子模块打开图3.15的“CMD”模块(对应“路径生成器”模块)，在该模块中打开“CMD1”子模块，该模块用于设定相应的定点期望。设置完定点期望后，打开图3.15中的“controlsystem”模块内的“BaselineControllerBasic子模块，查看各个通道的定点控制器形式和内容。图3.18是“BaselineControllerBasic子模块控制器的内部形式。实飞实验流程实飞实验流程实飞实验流程实飞实验步骤三：实飞准备(1)首先启动实飞实验所需要的各个设备。(2)在启动设备之后需要将所有设备连接到路由器提供的局域网内，实现设备之间的通信。(3)为了实现多旋翼运动状态的实时反馈，需要在室内定位系统中建立多旋翼的模型。4)在完成上述准备工作后，可以开始进行多旋翼的实飞实验。实飞实验流程实飞实验步骤三：实飞准备(5)启动室内定位系统。(6)连接多旋翼。在系统“Terminal”中输入“roslaunchtellodrivertellonode.launch并运行。(7)起飞多旋翼。在系统“Terminal”中输入“rosruntelloTellotakeofall”并运行。(8)运行Simulink仿真控制程序。实飞实验流程实飞实验流程实飞实