多旋翼飛行器設(shè)計與控制實踐 第04講-實驗流程

第四講實驗流程介紹2.控制LED燈實驗操作具體流程3.姿態(tài)控制實驗操作具體流程結(jié)束結(jié)束和決策相關(guān)任務(wù)。每個任務(wù)分為由淺入深的三個實驗，即基礎(chǔ)實驗、分析實驗和設(shè)計實驗。結(jié)結(jié)束圖.實驗關(guān)系圖對于基礎(chǔ)實驗和分析實驗，本書會提供完整的例程，以此保證所有的對于基礎(chǔ)實驗和分析實驗，本書會提供完整的例程，以此保證所有的讀者都可以順利完成實驗。通過以上兩個分步實驗，讀者能較好地了整個過程由淺入深，便于一步一步指導(dǎo)讀者修改例程，運行修改后的程序并收集和分析數(shù)據(jù)。在上述兩個實驗完成的基礎(chǔ)上，針對給定的任務(wù)，進(jìn)行獨MATLAB/Simulink開發(fā)仿真環(huán)境控制 Pixhawk自駕儀系統(tǒng) 試飛軟件在環(huán)仿真硬件在環(huán)仿真飛行測試FlightGear三維顯示CopterSim+3DDisplay 控制每個實驗有一般包括以下三個階段：（1MATLAB/Simulink開發(fā)仿真環(huán)境控制 Pixhawk自駕儀系統(tǒng) 試飛軟件在環(huán)仿真硬件在環(huán)仿真飛行測試FlightGear三維顯示CopterSim+3DDisplay 控制每個實驗有一般包括以下三個階段：（1）Simulink算法設(shè)計與軟件在 軟件在環(huán)硬件在環(huán)仿真飛行測試CopterSim+3DDisplay 軟件在環(huán)硬件在環(huán)仿真飛行測試CopterSim+3DDisplay 真模型和例程，在Simulink中進(jìn)行控制算法設(shè)計，并正確連接模型和控制器，確保輸入輸出信號與實際多旋翼系統(tǒng)一致。計信息（例如，姿態(tài)角、角速率、位置和速度等）發(fā)送給控制器，控制器將每個電機(jī)PWM控制指令發(fā)回給模型，從而形成一個軟件在環(huán)仿真閉環(huán)系統(tǒng)。在本階段，讀者可以觀察控制性能，自行修改或設(shè)計控制器來達(dá)到期望的性能需求。圖.實驗流程圖在硬件在環(huán)多旋翼飛行器仿真器里，而控制器上傳到Pixhawk飛控硬件環(huán)境下，其中通訊過程是通過串口線直接連接。模型通過串口線將姿態(tài)角、姿態(tài)角速率、位置和速度發(fā)送給控制器，控制器通過串口線將每個電機(jī)PWM控制指 CopterSim+3DDisplay在硬件在環(huán)多旋翼飛行器仿真器里，而控制器上傳到Pixhawk飛控硬件環(huán)境下，其中通訊過程是通過串口線直接連接。模型通過串口線將姿態(tài)角、姿態(tài)角速率、位置和速度發(fā)送給控制器，控制器通過串口線將每個電機(jī)PWM控制指 CopterSim+3DDisplay 軟件在環(huán)仿真硬件在環(huán)仿真飛行測試 圖.實驗流程圖將Simulink多旋翼模型參數(shù)導(dǎo)入到CopterSim中，并CopterSim將傳感器數(shù)據(jù)（例如，加速度計、氣壓計、磁系統(tǒng)中的PX4自駕儀軟件將收到傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波和狀態(tài)估計，將估計的狀態(tài)信息通過內(nèi)部的uORB消息總線發(fā)將Simulink多旋翼模型參數(shù)導(dǎo)入到CopterSim中，并CopterSim將傳感器數(shù)據(jù)（例如，加速度計、氣壓計、磁系統(tǒng)中的PX4自駕儀軟件將收到傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波和狀態(tài)估計，將估計的狀態(tài)信息通過內(nèi)部的uORB消息總線發(fā)PWM控制指令發(fā)回給CopterSim，從而形成一個硬件在 CopterSim+3DDisplay 軟件在環(huán)仿真硬件在環(huán)仿真飛行測試 圖.實驗流程圖相對于軟件在環(huán)仿真，硬件在環(huán)仿真中多旋翼模型運行速度與實際時鐘是一致的，以此保證仿真的實時性，同時控制算法可以部署并運行在真實的嵌入式系統(tǒng)的仿真模型和控制器所運行環(huán)境也難免與軟件在環(huán)系統(tǒng)存在一定差異，因此控制器的參數(shù)可能需要進(jìn)一步調(diào)節(jié)來達(dá)到設(shè)計需求，這也恰恰反映實際中的情 CopterSim+3DDisplay相對于軟件在環(huán)仿真，硬件在環(huán)仿真中多旋翼模型運行速度與實際時鐘是一致的，以此保證仿真的實時性，同時控制算法可以部署并運行在真實的嵌入式系統(tǒng)的仿真模型和控制器所運行環(huán)境也難免與軟件在環(huán)系統(tǒng)存在一定差異，因此控制器的參數(shù)可能需要進(jìn)一步調(diào)節(jié)來達(dá)到設(shè)計需求，這也恰恰反映實際中的情 CopterSim+3DDisplay 軟件在環(huán)仿真硬件在環(huán)仿真飛行測試 圖.實驗流程圖型進(jìn)一步由真實多旋翼飛行器替代，傳感器數(shù)據(jù)直接由傳感器芯片感知飛行運動狀態(tài)得到，控制器信號直接輸出給電機(jī)，從而實現(xiàn)真實飛機(jī)的控制。需要注意的是，無論是硬件在環(huán)仿真還是軟件在環(huán)仿真，其仿真模型都難以與真實飛機(jī)保持完全一致，因此進(jìn)一飛行測試 型進(jìn)一步由真實多旋翼飛行器替代，傳感器數(shù)據(jù)直接由傳感器芯片感知飛行運動狀態(tài)得到，控制器信號直接輸出給電機(jī)，從而實現(xiàn)真實飛機(jī)的控制。需要注意的是，無論是硬件在環(huán)仿真還是軟件在環(huán)仿真，其仿真模型都難以與真實飛機(jī)保持完全一致，因此進(jìn)一飛行測試 軟件在環(huán)仿真硬件在環(huán)仿真CopterSim+3DDisplay使用遙控器CH1~CH5任意兩個通道實現(xiàn)讓LED燈以兩種顏色和兩種模式閃爍。?(Mode2)2.4GLED燈USB線2.4GLED燈USB線Pixhawk硬件連接圖使用遙控器CH1~CH5任意兩個通道實現(xiàn)讓LED燈以兩種顏色和兩種模式閃爍。開關(guān)開關(guān)控制LED燈實驗操作具體流程（1）新建一個Simulink模型文件“LibraryBrowser”庫的PSP工具箱中找到“RGB_LED”模塊并添加到新建的模型文件中。因為還需用到遙控器來控制LED燈，所以把遙控器模個可供參考的的Simulink例程，詳見“e0\2.PSPOfficialExps\px4demo_input_rc.slx”?？刂芁ED燈實驗操作具體流程選擇help查看預(yù)定義的控制枚舉變量。這個模塊可以用來控制__注：右側(cè)Help文檔中的枚舉變量在安裝PSP工具箱的時候已經(jīng)在MATLAB全局參數(shù)中注冊了，因此可以直接調(diào)用。例如在模塊的“Mode”口用“Constant”模塊輸入ModeColorRGBLED_MODE_ENUM.SL_MODE_BLINK_FAST >RGBLED_MODE_ENUM.SL_MODE_ModeColorRGBLED_MODE_ENUM.SL_MODE_BLINK_FAST >RGBLED_MODE_ENUM.SL_MODE_BLINK_NORMALRGBLED_COLOR_ENUM.SL_COLOR_BLUE >3）實現(xiàn)模型。由于遙控器的PWM輸出范圍為1100~1900，這里選擇1500為Switch模ChCh3Ch4RGBLED_COLOR_ENUM.SL_COLOR_REDColor>RGBLED_COLOR_ENUM.SL_COLOR_BLUERGBLED_COLOR_Color>RGBLED_COLOR_ENUM.SL_COLOR_BLUERGBLED_COLOR_ENUM.SL_COLOR_REDRGBLED_MODERGBLED_MODE_ENUM.SL_MODE_BLINK_FASTRGBLED_MODE_ENUM.SL_MODE_BLINK_NORMAL>>“RGBLED_MODE_ENUM.SL_MODE_BLINK_FAST”參數(shù)；當(dāng)CH3≤1500時，“Mode”接收“RGBLED_MODE_ENUM.SL_MODE“RGBLED_COLOR_ENUM.COLOR_BLUE”；當(dāng)CH4>1500時，“Color”接收“RGBLED_COLOR_ENUM.COLOR_RED”參數(shù)。MATLABR2017b-2019aMATLABR2019b“設(shè)置”按鈕控制LED燈實驗操作具體流程MATLABR2017b-2019aMATLABR2019b“設(shè)置”按鈕ConfigurationParameters”選項；對于MATLAB2019b及更高版本，可點擊工具標(biāo)簽欄上的“設(shè)置”模型配置窗口中，將“HardwareBoard”設(shè)置為“PixhawkPX4”，使Simulink安裝PX4的規(guī)則生成控“編譯”按鈕“編譯”按鈕MATLABMATLABR2017b-2019a“診斷”按鈕MATLABR2019b控制LED燈實驗操作具體流程控制LED燈實驗操作具體流程（4）下載固件。利用PSP工具箱提供的固件一鍵下載功菜單中點擊“PX4PSP:UploadcodetoPx4FMU”選項;對于MATLAB2019b及更高版本，在MATLAB主界面的“命令行窗口”輸入“PX4Upload”命令來開始控制LED燈實驗操作具體流程Pixhawk自駕儀，并將編譯得到的PX4固件下載與部署。當(dāng)進(jìn)度條達(dá)到100%說明部署成功。注意：有時需要根據(jù)提示重新插拔Pixhawk才能開始下載與部署流程?？刂芁ED燈實驗操作具體流程控制LED燈實驗操作具體流程本章節(jié)以一個設(shè)計好的姿態(tài)控制系統(tǒng)為例，介紹整個實驗的基本操作流程。例程見“e0\3.DesignExps\本章節(jié)以一個設(shè)計好的姿態(tài)控制系統(tǒng)為例，介紹整個實驗的基本操作流程。例程見“e0\3.DesignExps\Exp1_AttitudeController.slx”新建一個Simulink文件，在其中設(shè)計多旋翼的姿態(tài)控制器。設(shè)計要求：（單位為rad）。這里主要考慮滾轉(zhuǎn)角和俯仰角，暫不考慮偏航實現(xiàn)效果：CH3油門通道控制飛機(jī)升降；向前推俯仰搖桿（即CH2<1500）控制多旋翼向前飛；向左推滾tch234偏航通道tch234偏航通道這里我們給出一個設(shè)計好的例子，見文件slx”，打開該文件后的Simulink框圖見右圖。請仔細(xì)閱讀其中的子模塊的實現(xiàn)方法，并進(jìn)行功能的完善，可以將偏航通道的控制加image(‘./icon/Pixhawk.png’);image(‘./icon/Pixhawk.png’);將上文的控制器用鼠標(biāo)全部選中（或者按下鍵盤），F(xiàn)orSelection”即可將控制器封裝為一個子模塊。右鍵該子模塊，點擊“Mask”-“CreateMask”在“Icondrawingcommands”輸入框（見右上圖）中輸入“image(‘./icon/Pixhawk.png’);”，再點擊“OK”，并（3）步驟三：控制器與模型整合打開前文給的Simulink多旋翼仿真程序“e0\1.SoftwareSimExps\CopterSim3DEnvironment.slx”（如右圖所示刪掉其中的原有的控制器子模塊（注意備份),然后將步驟二中得到的新控制器子將控制器與多旋翼模型進(jìn)行重新連線。由于此時遙控器信號無法獲取，可以用常值來代替，或者用函數(shù)模擬相應(yīng)的遙控器動作。這里我們也給出一個例子，已經(jīng)連接“e0\3.DesignExps\Exp2_ControlSystemDeFlightGear，然后點擊Simulink工具欄“開始仿真”按鈕（見右上圖）開始仿真。Simulink中的滑塊來模擬用遙控器控制四上述Simulink中的軟件在環(huán)仿真完成后，將其中的控制器模塊單獨復(fù)制出來，粘貼到文件“e0\3.DesignExps\Exp3_BlankTemp.slx”所有設(shè)置，也可以新建一個空白Simulink文DesignedAttitudeController步驟六中的控制器進(jìn)行連線，連線后結(jié)果可以參考文件“e0\3.DesignExps\Exp4_AttitudeSystemCodeGen_old.slx”，內(nèi)部細(xì)節(jié)見右圖。這里需要注意，由于后面要進(jìn)行硬件在環(huán)仿真而不是實際飛行，PWM的輸出接口需要通過uORB消息給Pixhawk發(fā)送actuator_outputs消息來實現(xiàn)，而不是直接用PSP工具箱的PWM輸出模塊。上面的例子直接讀取了遙控器原始數(shù)據(jù)，而右下圖的“Exp4_AttitudeSystemCodeGen.slx”例子采用了讀取“mannual_control_setpoint”的uORB消息來獲取校準(zhǔn)：0~1）而不是直接讀取遙控器PWM信號，這種方式更方便可靠且可以兼容任意遙控器而不需要擔(dān)心校準(zhǔn)問題“UploadCode”功能將固件下載到Pixhawk中。得到按照右圖所示用三色杜邦線連接接收機(jī)與Pixhawk,然后Pixhawk與電腦通過USB數(shù)據(jù)線連接，此時可以看到Pixhawk上的藍(lán)燈亮起并呼吸閃爍，接收機(jī)上的燈光為藍(lán)白色常亮。此時打開遙控器開關(guān)(油門桿拉到最低位置可以觀察到Pixhawk上的果Pixhawk的LED燈沒有任何改變，說明遙控器與數(shù)據(jù)線線，另數(shù)據(jù)線線，另一端連電腦USB口樂迪R9DS接PixHawk飛控0最左側(cè)排針，順JR信號線：紅為電源正，黑為地線，右下方排針，順序（上到下黑紅白1）進(jìn)入“Airframe”標(biāo)簽，確保模型處于“HIL關(guān)不是CH5，避免PX4模式切換開關(guān)對CH5通道占3）關(guān)閉QGC地面站雙擊桌面的CopterSim快捷方式即可以打開多旋翼模擬器軟件。不用配置任何參數(shù)，直接在“飛控選擇”下拉框中選擇上一步查到的串口號（例如“**此時可以看到如右圖所示的界面左下角收到自駕儀返回的相關(guān)消息，以及Pixhawk飛控上的燈光從藍(lán)雙擊桌面的3DDisplay快捷方式即可打開3DDisplay三維顯示軟件。這個軟件不需要任何配置，它會被動地接收模型仿真軟件發(fā)送的飛機(jī)的飛行姿態(tài)與軌控制遙控器解鎖多旋翼（油門桿右下三秒解鎖Pixhawk自駕儀，將CH5撥桿開關(guān)撥到最下解鎖控），如右圖在3多旋翼三維飛行顯示程序界面左側(cè)觀察多旋翼位置和姿態(tài)變化，界面右上角觀察實時飛行數(shù)（13）步驟十三：安裝Pixhawk到多旋翼機(jī)架上實際飛行試驗所采用的多旋翼為F450四旋翼，見下圖；多旋仿真模型是一致的。在實際飛行時需要在QGC中將PixhawkF450F450機(jī)架1ARMOutputpwm1pwm2pwm3pwm4zeros(1,8)1ARMOutputpwm1pwm2pwm3pwm4zeros(1,8)生成代碼并下載到Pixhawk中。這里給出了一個例子，見文件“e0\3.DesignExps\Exp5_AttitudeSystemCodeGenRealFlight_old.slx”（或使用不帶old后綴的slx例程）。注意，該例子在actuator_controls_0的uORB消息[1]來輸出控制信號（歸一化的力和力矩）到PX4混控器mixer，從timestampuORBWriteTopic:actuator_outputsoutput[1]https://dev.px4.io/master/en/concept/mixing.html#control-group-0-flight-control考慮到實際飛行的不確定性，以及自身生成的控制算法缺乏完整的失效保護(hù)邏輯，在實際飛行時應(yīng)該充分考慮安全性問題。實際飛行實驗應(yīng)該選在相對三秒鐘（部分飛機(jī)無安全開關(guān)），然后用遙控器控制多旋翼來驗證控制器的讀取實際飛行和半物理仿真的log數(shù)據(jù)。右上為設(shè)置噪聲水平為1，可以看到半物理仿真階躍響應(yīng)與實飛階躍響應(yīng)無論是動態(tài)過程還是噪聲水平都比較接近。圖右下設(shè)置噪聲水平為0，可以看到半物理仿真下解算的角度沒有噪聲，動態(tài)過程與實飛接近。注意，由于仿真模式的機(jī)架類型“HILQuadcopterX”與實際飛行所用的“DJI讀取實際飛行和半物理仿真的log數(shù)據(jù)。右上為設(shè)置噪聲水平為1，可以看到半物理仿真階躍響應(yīng)與實飛階躍響應(yīng)無論是動態(tài)過程還是噪聲水平都比較接近。圖右下設(shè)置噪聲水平為0，可以看到半物理仿真下解算的角度沒有噪聲，動態(tài)過程與實飛接近。注意，由于仿真模式的機(jī)架類型“HILQuadcopterX”與實際飛行所用的“DJIFlameWhe