多旋翼無人機(jī)遠(yuǎn)程控制實踐 課件 ch03

實驗流程多旋翼無人機(jī)遠(yuǎn)程控制實踐第3章01總體介紹01020304打開例程，閱讀并運(yùn)行程序代碼，然后觀察并記錄分析數(shù)據(jù)?；A(chǔ)實驗在上述兩個實驗的基礎(chǔ)上，針對給定的任務(wù)，進(jìn)行獨立設(shè)計。設(shè)計實驗指導(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)。分析實驗在設(shè)計實驗的基礎(chǔ)上，針對給定的任務(wù)，進(jìn)行獨立設(shè)計并運(yùn)用于真實的多旋翼。實飛實驗總體介紹總體介紹對于基礎(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，讀者能較好地了解實驗的理論和其應(yīng)用方法。在設(shè)計實驗中，讀者只需在原有的架構(gòu)上逐一替換成自己的設(shè)計模塊，并進(jìn)行硬件在環(huán)仿真測試。通過實飛實驗，讀者能將自主設(shè)計開發(fā)的算法用于真實的多旋翼飛行測試。整個過程由淺入深，便于一步一步達(dá)到最終的實驗?zāi)繕?biāo)?？傮w介紹基礎(chǔ)實驗、分析實驗和設(shè)計實驗都包括仿真1.0和仿真2.0，其中設(shè)計實驗還包括硬件在環(huán)仿真。這里的仿真1.0采用的模型是簡化的線性模型，通常是利用系統(tǒng)辨識得到的，可以用于模擬模型開發(fā)；而仿真2.0采用的模型是高逼真的非線性模型，用于模擬模型開發(fā)到真實飛行器上的遷移。實飛實驗包括仿真1.0和實飛，這里的仿真1.0采用的模型也是簡化的線性模型?？傮w介紹仿真階段總得來說，實驗可以劃分為兩個階段：仿真階段和實飛階段。仿真階段需要經(jīng)歷“仿真1.0→仿真2.0→硬件在環(huán)仿真”。仿真1.0采用的多旋翼模型是設(shè)計模型，而仿真2.0使用的是一個高保真的非線性模型。通過“系統(tǒng)辨識”實驗，對仿真2.0使用的高保真非線性模型進(jìn)行系統(tǒng)辨識，可以得到傳遞函數(shù)模型，也稱為設(shè)計模型。總體介紹實飛階段實飛階段需要經(jīng)歷“仿真1.0→實飛實驗”。仿真1.0采用對真實多旋翼進(jìn)行“系統(tǒng)辨識”實驗得到的設(shè)計模型，而實飛實驗是在真實多旋翼上進(jìn)行的。在每個實驗設(shè)計完成后，需要在MATLAB/Simulink中實現(xiàn)，并在搭建好的設(shè)計模型仿真平臺中進(jìn)行仿真測試。之后，讀者需要將通過仿真測試的控制器，應(yīng)用于真實的多旋翼。02定點控制實驗流程(1)給定定點指令，其中水平前向通道和水平側(cè)向通道的定點指令范圍為[-1，1]，高度通道定點指令范圍為[0，-2]，以及偏航角通道角度控制指令范圍為[-∏，∏]。(2)速度反饋的三個分量用“ux”“uy”和“uz”表示(單位：m/s)，分別代表水平前向速度、水平側(cè)向速度和垂直速度。(3)歐拉角反饋量為“AngEuler”中的偏航角。輸入數(shù)據(jù)實驗?zāi)繕?biāo)對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。輸出數(shù)據(jù)實驗?zāi)繕?biāo)多旋翼保持在高度為1m，偏航角為0的情況下，從任意定點到達(dá)(1，1，1)位置。期望效果步驟一：控制器設(shè)計這里我們給出一個設(shè)計好的例子，見文件“e0\sim1.0\samplel.slx”。打開該文件，如圖3.1所示。該模型中“Model”模塊采用的是設(shè)計模型(線性模型)。請仔細(xì)觀察和分析其中的子模塊的實現(xiàn)方法，并進(jìn)行功能完善。仿真1.0仿真實驗流程仿真實驗流程步驟二：建立控制器子模塊打開圖3.1中的“ControlInput”模塊，設(shè)定相應(yīng)的定點期望。設(shè)置完定點期望后，打開圖3.1中的“Controller”模塊，查看各個通道的定點控制器形式和內(nèi)容。如圖3.3所示是控制器的內(nèi)部形式。具體原理可參見第2章2.2.2節(jié)的控制器模塊部分。仿真1.0仿真實驗流程仿真實驗流程步驟三：開始仿真雙擊MATLAB文件“startSimulation.m”，并單擊作界面中的“運(yùn)行”(Run)按鈕，然后單擊Simulink工具欄“開始仿真”按鈕開始仿真。水平前向通道、水平側(cè)向通道和高度通道的仿真結(jié)果可以通過運(yùn)行文件“e0plot.m”得到，如圖3.4所示，這三個變量從起點位置迅速到達(dá)(1，1，1)位置，達(dá)到了預(yù)期效果。仿真1.0仿真實驗流程仿真實驗流程仿真實驗流程仿真2.0步驟一：控制器設(shè)計此處控制器和仿真1.0相同。步驟二：替換多旋翼模型打開“e0\sim1.0\samplel.slx”，將“Model”模塊里的傳遞函數(shù)模型替換成非線性模型，然后按要求設(shè)置期望輸入。這里我們給出一個設(shè)計好的例子，見文件“e0\sim2.0\samplel.slx”，其與“e0\sim1.0\samplel.slx”的區(qū)別在于此處的多旋翼模型為非線性模型。仿真實驗流程仿真2.0步驟三：開始仿真雙擊文件“FlightGear-Start.bat”打開FlightGear，然后雙擊“startSimulation.m”文件并單擊“運(yùn)行”；接著在Simulink工具欄中單擊“開始仿真”按鈕。此時，可以在FlightGear視景中(見圖3.5)觀察到：多旋翼爬升一段時間后到達(dá)指定定點。這說明控制器實現(xiàn)了預(yù)期要求。仿真實驗流程仿真2.0硬件在環(huán)仿真需要準(zhǔn)備裝配有RflySim和MATLABR2017b及以上版本的計算機(jī)，以及如圖3.6所示的Pixhawk自駕儀和USB數(shù)據(jù)線。本書使用的自駕儀是Pixhawk4，固件版本為1.10.1。步驟一：連接硬件將Pixhawk自駕儀與計算機(jī)通過USB數(shù)據(jù)線連接。硬件在環(huán)仿真仿真實驗流程步驟二：選擇HIL腳本(1)對于單機(jī)仿真，打開桌面“RflyTools”文件夾，直接打開圖3.7中的“HITLRun腳本文件，將彈出命令行。插入Pixhawk自駕儀后，圖中將會顯示串口號，如這里是“3”，只需把該串口號輸入下方即可。硬件在環(huán)仿真仿真實驗流程步驟二：選擇HIL腳本(2)對于多機(jī)仿真，需要將多個Pixhawk自駕儀連接計算機(jī)。同時按照路徑“[安裝盤]：\PX4PSP\RfySimAPIs\SimulinkSwarmAPI”找到名稱為“HTLRunUdpFull.bat”的文件，雙擊后彈出的命令行。注意，此時命令行中提示的串口號個數(shù)應(yīng)與連接的自駕儀個數(shù)一致，需要在下方輸入所有給出的串口號，每個串口號用逗號分隔開。硬件在環(huán)仿真仿真實驗流程仿真實驗流程硬件在環(huán)仿真步驟三：一鍵啟動HIL在填寫完串口號后，按下回車鍵，系統(tǒng)會自動打開所有與硬件在環(huán)仿真相關(guān)的Rfly-Sim軟件，包括RflySim3D、CopterSim和QGC地面站，如圖3.9所示。步驟四：運(yùn)行MATLAB程序打開MATLABR20176及以上版本以及打開要運(yùn)行的Simulink模型，單擊“運(yùn)行”按鈕便可以實現(xiàn)自駕儀硬件在環(huán)仿真，仿真結(jié)果通過RfySim3D軟件實時顯示。仿真實驗流程硬件在環(huán)仿真步驟五：關(guān)閉HIL實驗完成后，再次回到命令行，按任意鍵退出，系統(tǒng)將自動關(guān)閉所有打開的RflySim軟件。若需要更多資料，請訪問https://或https:///中的“集群控制”開發(fā)部分。實飛實驗流程步驟一：控制器設(shè)計新建一個Simulink文件，在其中設(shè)計多旋翼的定點控制器，設(shè)計要求與仿真階段的要求一致。

這里我們給出一個設(shè)計好的例子，見文件“e0\sim1.0\sample2.slx”，打開該文件后的Simulink框圖如圖3.11所示。仿真1.0實飛實驗流程步驟二：建立控制器子模塊打開圖3.11中的“ControlImput”模塊，設(shè)定相應(yīng)的定點期望。設(shè)置完定點期望后，打開圖3.11中的“Controller”模塊，查看各個通道的定點控制器形式和內(nèi)容。控制器的內(nèi)部形式，具體原理可參見第2章2.2.2節(jié)的控制器模塊部分仿真1.0實飛實驗流程步驟三：開始仿真雙擊MATLAB文件“startSimulation.m”并單擊“運(yùn)行”按鈕，然后單擊Simulink工具欄“開始仿真”按鈕，如圖2.18所示，開始仿真。水平前向通道、水平側(cè)向通道和高度通道的仿真結(jié)果如圖3.14所示，這三個變量從(0，0，0)迅速到達(dá)(1，1，1)位置，達(dá)到了預(yù)期效果。仿真1.0實飛實驗流程實飛實驗步驟一：控制器設(shè)計控制器與仿真1.0控制器相同，實飛實驗相對復(fù)雜，可根據(jù)需要對控制參數(shù)進(jìn)行微調(diào)。這里我們給出一個設(shè)計好的例子，見文件“e0Rfly\samplel.slx”，打開該文件后的Simulink框圖。實飛實驗流程實飛實驗步驟二：建立控制器子模塊打開圖3.15的“CMD”模塊(對應(yīng)“路徑生成器”模塊)，在該模塊中打開“CMD1”子模塊，該模塊用于設(shè)定相應(yīng)的定點期望。設(shè)置完定點期望后，打開圖3.15中的“controlsystem”模塊內(nèi)的“BaselineControllerBasic子模塊，查看各個通道的定點控制器形式和內(nèi)容。圖3.18是“BaselineControllerBasic子模塊控制器的內(nèi)部形式。實飛實驗流程實飛實驗流程實飛實驗流程實飛實驗步驟三：實飛準(zhǔn)備(1)首先啟動實飛實驗所需要的各個設(shè)備。(2)在啟動設(shè)備之后需要將所有設(shè)備連接到路由器提供的局域網(wǎng)內(nèi)，實現(xiàn)設(shè)備之間的通信。(3)為了實現(xiàn)多旋翼運(yùn)動狀態(tài)的實時反饋，需要在室內(nèi)定位系統(tǒng)中建立多旋翼的模型。4)在完成上述準(zhǔn)備工作后，可以開始進(jìn)行多旋翼的實飛實驗。實飛實驗流程實飛實驗步驟三：實飛準(zhǔn)備(5)啟動室內(nèi)定位系統(tǒng)。(6)連接多旋翼。在系統(tǒng)“Terminal”中輸入“roslaunchtellodrivertellonode.launch并運(yùn)行。(7)起飛多旋翼。在系統(tǒng)“Terminal”中輸入“rosruntelloTellotakeofall”并運(yùn)行。(8)運(yùn)行Simulink仿真控制程序。實飛實驗流程實飛實驗流程實飛實