1、概述

四旋翼飛行控制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，兼顧無人機平臺姿態(tài)控制、制導導航、力學等學科專業(yè)的科學研究。本平臺采用先進的基于模型的設(shè)計（MBD）開發(fā)思路，可支撐控制系統(tǒng)數(shù)學仿真實驗、模擬軟件飛行實驗、臺架實驗、實物飛行實驗，具備模型編譯、下載、數(shù)據(jù)監(jiān)視記錄、后處理等完成的工具軟件，能夠幫助學生熟悉整套控制系統(tǒng)設(shè)計流程。

2、特征優(yōu)勢

（1）基于模型設(shè)計（MBD）

平臺采用先進的基于模型設(shè)計（MBD）的開發(fā)思路；

（2）實驗支撐

同時支持數(shù)學仿真實驗、模擬軟件飛行實驗、臺架實驗和實物飛行實驗；

（3）硬件配置

主控芯片采用功能強大和擴展性強的芯片AM335x 1GHz ARM® Cortex-A8 processor，擁有豐富的外設(shè)資源和強大的運算能力；

（4）圖像處理

具備前置攝像頭，結(jié)合專用圖形處理芯片，完成圖像采集和實時處理；

（5）控制器開發(fā)

結(jié)合基于MATLAB Simulink和ARM的快速控制原型系統(tǒng)的使用，可以快速實現(xiàn)控制器的開發(fā)，自動代碼生成。

3、實驗內(nèi)容

4、實驗示例

（1）IMU數(shù)據(jù)獲取與姿態(tài)解算

1）實驗?zāi)康?/span>

?熟悉IMU傳感器基本原理；

?學習基本kalman濾波的原理和應(yīng)用。

2）實驗原理

飛行器姿態(tài)（滾轉(zhuǎn)、俯仰、偏航角）測值并非直接來源于機上傳感器，而是依據(jù)姿態(tài)測量原理，由集成傳感器的原始測值經(jīng)過‘vehicle_attitude’模塊內(nèi)置姿態(tài)計算方法計算后得到。該模塊內(nèi)置了兩種姿態(tài)計算方法，基于加速度計、陀螺儀和磁力計測值的默認計算方法和擴展卡爾曼濾波器（Extended Kalman Filter）。

    姿態(tài)測量模型

3）實驗過程

A.數(shù)值仿真實驗

Step1: 直接運行

Step2: 打開示波器，結(jié)果如下圖所示，從結(jié)果可以看出，估計值能夠很好的符合實際值。

卡爾曼數(shù)值仿真實驗結(jié)果

B.臺架實物實驗

Step1: 打開Simulink模型

Step2: 無人機實物上電

Step3: 編譯下載模型，上傳固件信息

Step4: 手動擺動四旋翼，在Simulink監(jiān)控界面觀察上傳的四旋翼姿態(tài)數(shù)據(jù)

Step5: 停止模型

Step6:關(guān)閉無人機。

2、基于顏色的綠球跟蹤實驗

1）實驗?zāi)康?/span>

?了解跟蹤控制基本原理

?了解圖像處理基本過程

?了解分層控制器的設(shè)計思想

2）實驗原理

以前置相機中的綠球為跟蹤對象，其目的是保持綠球在圖像的中心位置（坐標原點）。當綠球在圖像中左右移動時會產(chǎn)生一個x方向的位移，將此作為偏差輸入PID控制器產(chǎn)生一個偏航角的控制量，作為姿態(tài)控制器的期望值。當綠球在圖像中上下移動時會產(chǎn)生一個y軸方向的位移，將此作為偏差輸入PID控制器產(chǎn)生一個俯仰角的控制量，作為姿態(tài)控制器的期望值。經(jīng)過兩個PID控制器，將使得綠球能夠保持在圖像的中心，移動綠球，無人機的機頭就會跟隨移動，這就是綠球跟蹤的基本原理。

如下圖所示，綠球跟蹤控制系統(tǒng)采用分層控制思想，最上層為綠球跟蹤控制器（BBB板載ARM處理器），最下層為無人機姿態(tài)控制器（BBB板載GPU處理器），上層的控制器輸出作為下一層控制器的給定輸入。

    綠球跟蹤控制系統(tǒng)原理圖

3）實驗過程

Step1:打開模型

Step2:無人機實物上電

Step3:編譯下載模型，上傳固件

Step4:運行模型

Step5:運動綠球，觀察無人機跟蹤情況

Step6:調(diào)整PID控制器參數(shù)，優(yōu)化跟蹤效果

Step7:停止模型

Step8:關(guān)閉無人機

4）實驗討論：

?分層控制的設(shè)計思路和特點

?將顏色跟蹤改為形狀跟蹤甚至人臉跟蹤等。

5、選型配置

6、部分用戶

?北京航空航天大學 ?西北工業(yè)大學 ?華東交通大學 ?桂林航天工業(yè)學院 ?中南大學 ?重慶大學 ?南昌航空大學 ?北京理工大學 ?中北大學 ?北京聯(lián)合大學  ?臺州學院 ?濱州學院?滇西科技師范學院 ?北京信息科技大學 ?廣西大學 ?西南交通大學 ?中國科學院南海海洋研究所?哈爾濱工業(yè)大學 ?中山大學珠海學院 ?華中科技大學 ?昆明理工大學 ?安陽工學院 ?安徽工程大學 ?國防科技大學