基于LabVIEW虛擬儀器的多旋翼飛行器控制仿真研究

王祝

摘 要：多旋翼無人機的飛行控制是當前無人機研究領域的一個熱點，目前的控制設計多采用Matlab/Smiulink進行數(shù)值仿真驗證，仿真環(huán)境中較少考慮機載設備的作用。而在無人機原型開發(fā)過程中，又多采用現(xiàn)場調(diào)試的方法，但這種方法不利于實現(xiàn)控制算法及參數(shù)的快速更改。為提高對飛行控制算法的開發(fā)效率，文章設計并實現(xiàn)了一種多旋翼無人機可視化半實物仿真平臺。實現(xiàn)飛行俯仰、滾轉(zhuǎn)角、偏航角的控制；基于LabVIEW完成3D顯示，人機交互界面和數(shù)據(jù)動態(tài)顯示；完成了基于LabVIEW飛行姿態(tài)控制的仿真平臺的研制，實現(xiàn)了飛行姿態(tài)控制仿真演示和飛行姿態(tài)控制半開放仿真設計，實現(xiàn)效果達到預期實驗設計目標。

關鍵詞：多旋翼飛行器；虛擬儀器；LabVIEW；半實物仿真；3D顯示

1 概述

隨著航空技術的進步，飛機從客車、火車、輪船等交通運輸工具中脫穎而出，逐漸成為我們不可或缺的日常交通工具之一，并成為國際間運輸?shù)闹饕煌üぞ?。?shù)據(jù)顯示，飛機承擔著大部分的國際客運及貨運任務，分別占據(jù)國際客運、貨運總數(shù)的60%和70%以上，是完成國際間運輸?shù)闹匾\輸方式。此外，飛機具有更舒適、安全的特點。飛機在飛行時，受到自然環(huán)境的影響和阻礙相對較小，在航班的增減上也更為靈活，可以根據(jù)客流量、貨物量的變化及時作出調(diào)整。但是，飛機和其他交通工具一樣，同樣存在安全上的問題。飛機的事故多發(fā)在起飛和降落的過程當中，在這兩個階段，飛機容易出現(xiàn)因故障而導致失速的現(xiàn)象，這些事故對生命和財產(chǎn)都造成了巨大的損失，因此，改善、解決這一問題成為了當前的重要任務之一。為解決這一問題，自轉(zhuǎn)旋翼機應運而生。旋翼飛機是一種旋翼航空器，這種航空器利用旋翼自轉(zhuǎn)產(chǎn)生的動力來提供飛機所需的升力，在此過程中旋翼借助前飛時產(chǎn)生的相對氣流完成自轉(zhuǎn)；而動螺旋槳則由發(fā)動機帶動，直接為旋翼機提供前進力。

文章將在分析飛機飛行時涉及到的運動原理作出分析，并從靜態(tài)指針和動態(tài)指針兩個方面對穩(wěn)態(tài)誤差、上升時間、超調(diào)量進行確定，此外建設簡化模型，對控制系統(tǒng)進行探討。

2 旋翼飛行的基本原理

旋翼飛機同時具有旋翼和一副螺旋槳，這副螺旋槳呈水平放置狀態(tài)，為旋翼飛機提供前進的動力。這種飛行器介于飛機和直升機之間，它的旋翼和發(fā)動機系統(tǒng)不相連，旋翼的轉(zhuǎn)動靠的是飛機飛行時產(chǎn)生的氣流而非發(fā)動機，前方的氣流使旋翼轉(zhuǎn)動，從而產(chǎn)生升力；這個過程類似于風車的轉(zhuǎn)動，旋翼系統(tǒng)只在預旋時靠自身的力量旋轉(zhuǎn)，而后全憑空氣的作用力來實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)。與之相反的，直升機的旋翼與發(fā)動機系統(tǒng)是相連的，能一并提供直升機飛行時需要的升力與動力，類似于電扇的運轉(zhuǎn)。旋翼飛機的旋翼是自轉(zhuǎn)式的，這使得旋翼飛機受到扭矩的影響較小，所以通常只需裝上尾翼控制飛機的飛行即可。旋翼在旋翼機的飛行中提供了絕大部分甚至全部的升力，固定機翼在此機種飛行時則呈現(xiàn)了可有可無的狀態(tài)。

3 MatLab與LabVIEW的比較

3.1 MatLab介紹

MatLab是面向科學與工程計算的高級語言。是由Mathworks公司推出的一種以矩陣為基本編程單元的程序語言。其編程效率、可移植性和可讀性都明顯高于其他高級語言。它是一套高性能的數(shù)值計算可視化軟件。由于該軟件具有豐富的控制理論、容易使用和矩陣運算功能強與CAD應用程序集等特點，MATLAB已成為國際控制領域內(nèi)最流行的控制系統(tǒng)的計算機輔助設計軟件。

3.2 LabVIEW圖形化編程語言介紹

LabVIEW（Laboratory Virtual Instruments Engineering Workbench）是美國 NI公司（National Instrument Company）推出的一種基于G語言（Graphics Language，圖形化編程語言）的虛擬儀器軟件開發(fā)工具。它為不熟悉文本語言編程的設計者在測控領域建立計算機儀器系統(tǒng)——虛擬儀器，提供了一個便捷、輕松的圖形化設計環(huán)境。LabVIEW具有強大儀器驅(qū)動和實驗儀器圖形顯示，LabVIEW使用的是科學家和工程師們所熟悉的術語，還使用了很易于識別的構(gòu)造G語言的圖形符號，即使具有很少編程經(jīng)驗的人也能學會使用LabVIEW，圖形化程序設計編程簡單、直觀、開發(fā)效率高，如果你好好使用LabVIEW，你就會發(fā)現(xiàn)他幾乎包含了所有測控技術中需要用到的模塊，而這些模塊如果自己編寫是極其費力的。另外，大部分人現(xiàn)在涉及的gpib開發(fā)估計也僅僅是數(shù)據(jù)采集部分而已，但是一個完整的測控系統(tǒng)，數(shù)據(jù)采集僅僅是開始，更重要的數(shù)據(jù)后處理，這里，LabVIEW就更加顯得功能強大了。

3.3 MatLab與LabVIEW比拼

LabVIEW又稱為G編程語言，是一種基于非文本的圖形編程語言，LabVIEW借助圖形符號來描述程序，從而完成編程。LabVIEW具有強大儀器驅(qū)動和實驗儀器圖形顯示，LabVIEW不僅使用了工程師、科學家們熟悉的術語，還運用了易于識別的構(gòu)造G語言的圖形符號，便于編程經(jīng)驗少的人學習、使用，圖形化程序設計編程簡單、直觀、開發(fā)效率高，若運用得好LabVIEW，就會發(fā)現(xiàn)它幾乎包含了所有測控技術中需要用到的模塊，而這些模塊如果自己編寫是及其費力的，另外，大部分人現(xiàn)在涉及的gpib開發(fā)估計也僅僅是數(shù)據(jù)采集部分而已，但是一個完整的測控系統(tǒng)，數(shù)據(jù)采集僅僅是開始，更重要的數(shù)據(jù)后處理，這里，LabVIEW就更加顯得功能強大了。

4 飛行器控制設計與實現(xiàn)

4.1 程序設計

對于實時仿真，可以在LabVIEW中使用3D畫面來形象地反映飛機的飛行狀態(tài)。主要程序及顯示結(jié)果見圖1和圖2。

圖1飛行器外形創(chuàng)建主程序圖

4.2 飛行姿態(tài)控制

這里主要采用基于修正的PID算法，因為設計不同，控制器開放程度不一樣，具體設計不做詳細講解，控制選擇如圖3所示。

（1）仿真運行。打開“控制界面”應用程序，保留默認設置，如圖3所示。俯仰、滾轉(zhuǎn)參數(shù)選擇原參數(shù)，航向控制選擇程序化控制。把搖桿開關撥到“運行”一邊，仿真開始。其中控制器PID參數(shù)可調(diào)，可以通過仿真平臺學習PID參數(shù)整定方法，直觀看到整定效果?？煽吹斤w行畫面中的飛機開始相對地面運動，鍵盤上的“Insert”和“Delete”鍵可調(diào)節(jié)觀察遠近；“Home”和“End”鍵可使觀察點繞飛行器水平轉(zhuǎn)動；“PageUp”和“PageDown”鍵可使觀察點繞飛機垂直轉(zhuǎn)動。

（2）采用鍵盤控制可觀察俯仰、滾轉(zhuǎn)角、偏航角控制效果。開始仿真后，鍵盤上的“↑”和“↓”方向鍵分別用來增大和減小俯仰角的設定值，也可以在“設定值”欄中輸入俯仰角的具體角度?！昂较蚩刂七x擇”下拉列表改選為“手動控制”，鍵盤上的“←”和“→”方向鍵分別用來增大和減小滾轉(zhuǎn)角的設定值，同理也可以在“設定值”欄中輸入滾轉(zhuǎn)角的具體角度?！昂较蚩刂啤边x擇下拉列表改回“程序化控制”鍵盤上的“D”和“A”字母鍵分別用來增大和減小偏航角的設定值，同理也可以在“設定值”欄中輸入偏航角的具體角度。

5 結(jié)束語

文章是基于2014年貴州省教育廳教育科學規(guī)劃立項課題的青年課題《基于智能小車及多旋翼飛行器設計的電子信息類專業(yè)項目式教學研究》完成的，在部分師生已對此項設計進行嘗試運行并取得成功的前提下，并得到學校領導的幫助，以及相關基金的資助，正準備引入項目式教學中，利用此項設計完善學校的實驗教學。這種新的教學方法不僅能讓更多學生參與其中，還能將學生取得的優(yōu)秀成果運用到實驗室的建設工作上，為今后的教學和學生實踐提供參考和開設新的實驗項目，使得實驗資源得到充分利用。

參考文獻

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[2]查曉春，黃愛華.自動控制原理課程的Matlab輔助教學[J].實驗技術與管理，2007.

[3]吳森堂，費玉華.飛行控制系統(tǒng)[M].北京：北京航空航天大學出版社，2005.