多旋翼飛行器設(shè)計(jì)與控制實(shí)踐 第04講-實(shí)驗(yàn)流程

第四講實(shí)驗(yàn)流程介紹2.控制LED燈實(shí)驗(yàn)操作具體流程3.姿態(tài)控制實(shí)驗(yàn)操作具體流程結(jié)束結(jié)束和決策相關(guān)任務(wù)。每個(gè)任務(wù)分為由淺入深的三個(gè)實(shí)驗(yàn)，即基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)、分析實(shí)驗(yàn)和設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)。結(jié)結(jié)束圖.實(shí)驗(yàn)關(guān)系圖對(duì)于基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)和分析實(shí)驗(yàn)，本書會(huì)提供完整的例程，以此保證所有的對(duì)于基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)和分析實(shí)驗(yàn)，本書會(huì)提供完整的例程，以此保證所有的讀者都可以順利完成實(shí)驗(yàn)。通過(guò)以上兩個(gè)分步實(shí)驗(yàn)，讀者能較好地了整個(gè)過(guò)程由淺入深，便于一步一步指導(dǎo)讀者修改例程，運(yùn)行修改后的程序并收集和分析數(shù)據(jù)。在上述兩個(gè)實(shí)驗(yàn)完成的基礎(chǔ)上，針對(duì)給定的任務(wù)，進(jìn)行獨(dú)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(cè)試FlightGear三維顯示CopterSim+3DDisplay 控制每個(gè)實(shí)驗(yàn)有一般包括以下三個(gè)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(cè)試FlightGear三維顯示CopterSim+3DDisplay 控制每個(gè)實(shí)驗(yàn)有一般包括以下三個(gè)階段：（1）Simulink算法設(shè)計(jì)與軟件在 軟件在環(huán)硬件在環(huán)仿真飛行測(cè)試CopterSim+3DDisplay 軟件在環(huán)硬件在環(huán)仿真飛行測(cè)試CopterSim+3DDisplay 真模型和例程，在Simulink中進(jìn)行控制算法設(shè)計(jì)，并正確連接模型和控制器，確保輸入輸出信號(hào)與實(shí)際多旋翼系統(tǒng)一致。計(jì)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(gè)電機(jī)PWM控制指令發(fā)回給模型，從而形成一個(gè)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(jì)控制器來(lái)達(dá)到期望的性能需求。圖.實(shí)驗(yàn)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(guò)程是通過(guò)串口線直接連接。模型通過(guò)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(guò)串口線將每個(gè)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(guò)程是通過(guò)串口線直接連接。模型通過(guò)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(guò)串口線將每個(gè)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(cè)試 圖.實(shí)驗(yàn)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(jì)、氣壓計(jì)、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(jì)，將估計(jì)的狀態(tài)信息通過(guò)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(jì)、氣壓計(jì)、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(jì)，將估計(jì)的狀態(tài)信息通過(guò)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(gè)硬件在 CopterSim+3DDisplay 軟件在環(huán)仿真硬件在環(huán)仿真飛行測(cè)試 圖.實(shí)驗(yàn)流程圖相對(duì)于軟件在環(huán)仿真，硬件在環(huán)仿真中多旋翼模型運(yùn)行速度與實(shí)際時(shí)鐘是一致的，以此保證仿真的實(shí)時(shí)性，同時(shí)控制算法可以部署并運(yùn)行在真實(shí)的嵌入式系統(tǒng)的仿真模型和控制器所運(yùn)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(lái)達(dá)到設(shè)計(jì)需求，這也恰恰反映實(shí)際中的情 CopterSim+3DDisplay相對(duì)于軟件在環(huán)仿真，硬件在環(huán)仿真中多旋翼模型運(yùn)行速度與實(shí)際時(shí)鐘是一致的，以此保證仿真的實(shí)時(shí)性，同時(shí)控制算法可以部署并運(yùn)行在真實(shí)的嵌入式系統(tǒng)的仿真模型和控制器所運(yùn)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(lái)達(dá)到設(shè)計(jì)需求，這也恰恰反映實(shí)際中的情 CopterSim+3DDisplay 軟件在環(huán)仿真硬件在環(huán)仿真飛行測(cè)試 圖.實(shí)驗(yàn)流程圖型進(jìn)一步由真實(shí)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(yùn)動(dòng)狀態(tài)得到，控制器信號(hào)直接輸出給電機(jī)，從而實(shí)現(xiàn)真實(shí)飛機(jī)的控制。需要注意的是，無(wú)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(shí)飛機(jī)保持完全一致，因此進(jìn)一飛行測(cè)試 型進(jìn)一步由真實(shí)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(yùn)動(dòng)狀態(tài)得到，控制器信號(hào)直接輸出給電機(jī)，從而實(shí)現(xiàn)真實(shí)飛機(jī)的控制。需要注意的是，無(wú)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(shí)飛機(jī)保持完全一致，因此進(jìn)一飛行測(cè)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(gè)通道實(shí)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(gè)通道實(shí)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(shí)驗(yàn)操作具體流程（1）新建一個(gè)Simulink模型文件“LibraryBrowser”庫(kù)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?yàn)檫€需用到遙控器來(lái)控制LED燈，所以把遙控器模個(gè)可供參考的的Simulink例程，詳見“e0\2.PSPOfficialExps\px4demo_input_rc.slx”?？刂芁ED燈實(shí)驗(yàn)操作具體流程選擇help查看預(yù)定義的控制枚舉變量。這個(gè)模塊可以用來(lái)控制__注：右側(cè)Help文檔中的枚舉變量在安裝PSP工具箱的時(shí)候已經(jīng)在MATLAB全局參數(shù)中注冊(cè)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(shí)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(shí)，“Mode”接收“RGBLED_MODE_ENUM.SL_MODE“RGBLED_COLOR_ENUM.COLOR_BLUE”；當(dāng)CH4>1500時(shí)，“Color”接收“RGBLED_COLOR_ENUM.COLOR_RED”參數(shù)。MATLABR2017b-2019aMATLABR2019b“設(shè)置”按鈕控制LED燈實(shí)驗(yàn)操作具體流程MATLABR2017b-2019aMATLABR2019b“設(shè)置”按鈕ConfigurationParameters”選項(xiàng)；對(duì)于MATLAB2019b及更高版本，可點(diǎn)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(shí)驗(yàn)操作具體流程控制LED燈實(shí)驗(yàn)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(diǎn)擊“PX4PSP:UploadcodetoPx4FMU”選項(xiàng);對(duì)于MATLAB2019b及更高版本，在MATLAB主界面的“命令行窗口”輸入“PX4Upload”命令來(lái)開始控制LED燈實(shí)驗(yàn)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(shuō)明部署成功。注意：有時(shí)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(shí)驗(yàn)操作具體流程控制LED燈實(shí)驗(yàn)操作具體流程本章節(jié)以一個(gè)設(shè)計(jì)好的姿態(tài)控制系統(tǒng)為例，介紹整個(gè)實(shí)驗(yàn)的基本操作流程。例程見“e0\3.DesignExps\本章節(jié)以一個(gè)設(shè)計(jì)好的姿態(tài)控制系統(tǒng)為例，介紹整個(gè)實(shí)驗(yàn)的基本操作流程。例程見“e0\3.DesignExps\Exp1_AttitudeController.slx”新建一個(gè)Simulink文件，在其中設(shè)計(jì)多旋翼的姿態(tài)控制器。設(shè)計(jì)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(shí)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(gè)設(shè)計(jì)好的例子，見文件slx”，打開該文件后的Simulink框圖見右圖。請(qǐng)仔細(xì)閱讀其中的子模塊的實(shí)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(gè)子模塊。右鍵該子模塊，點(diǎn)擊“Mask”-“CreateMask”在“Icondrawingcommands”輸入框（見右上圖）中輸入“image(‘./icon/Pixhawk.png’);”，再點(diǎn)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(shí)遙控器信號(hào)無(wú)法獲取，可以用常值來(lái)代替，或者用函數(shù)模擬相應(yīng)的遙控器動(dòng)作。這里我們也給出一個(gè)例子，已經(jīng)連接“e0\3.DesignExps\Exp2_ControlSystemDeFlightGear，然后點(diǎn)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(lái)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(dú)復(fù)制出來(lái)，粘貼到文件“e0\3.DesignExps\Exp3_BlankTemp.slx”所有設(shè)置，也可以新建一個(gè)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(shí)際飛行，PWM的輸出接口需要通過(guò)uORB消息給Pixhawk發(fā)送actuator_outputs消息來(lái)實(shí)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(lái)獲取校準(zhǔn)：0~1）而不是直接讀取遙控器PWM信號(hào)，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(wèn)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(guò)USB數(shù)據(jù)線連接，此時(shí)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(shí)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(méi)有任何改變，說(shuō)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(lè)迪R9DS接PixHawk飛控0最左側(cè)排針，順JR信號(hào)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(duì)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(hào)（例如“**此時(shí)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(gè)軟件不需要任何配置，它會(huì)被動(dòng)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(shí)時(shí)飛行數(shù)（13）步驟十三：安裝Pixhawk到多旋翼機(jī)架上實(shí)際飛行試驗(yàn)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(shí)際飛行時(shí)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(gè)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(lái)輸出控制信號(hào)（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(shí)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(shí)際飛行時(shí)應(yīng)該充分考慮安全性問(wèn)題。實(shí)際飛行實(shí)驗(yàn)應(yīng)該選在相對(duì)三秒鐘（部分飛機(jī)無(wú)安全開關(guān)），然后用遙控器控制多旋翼來(lái)驗(yàn)證控制器的讀取實(shí)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(shí)飛階躍響應(yīng)無(wú)論是動(dòng)態(tài)過(guò)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(méi)有噪聲，動(dòng)態(tài)過(guò)程與實(shí)飛接近。注意，由于仿真模式的機(jī)架類型“HILQuadcopterX”與實(shí)際飛行所用的“DJI讀取實(shí)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(shí)飛階躍響應(yīng)無(wú)論是動(dòng)態(tài)過(guò)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(méi)有噪聲，動(dòng)態(tài)過(guò)程與實(shí)飛接近。注意，由于仿真模式的機(jī)架類型“HILQuadcopterX”與實(shí)際飛行所用的“DJIFlameWhe