基于Matlab/FlightGear的四旋翼無(wú)人機(jī)仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)

張明家 馮秀

摘 ? 要：文章以六自由度四旋翼無(wú)人機(jī)模型為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)并建立了基于FlightGear的仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。該平臺(tái)基于Matlab/Simulink實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)模型及控制系統(tǒng)的仿真設(shè)計(jì)，使用Stateflow實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)起飛、軌跡跟蹤飛行、返航、降落的模式切換，并與FlightGear進(jìn)行對(duì)接，實(shí)現(xiàn)完整飛行場(chǎng)景下四旋翼無(wú)人機(jī)的三維實(shí)時(shí)可視化顯示。

關(guān)鍵詞：四旋翼無(wú)人機(jī);FlightGear;模式切換;仿真實(shí)驗(yàn)

近年來(lái)，無(wú)人機(jī)應(yīng)用行業(yè)處于快速發(fā)展階段，國(guó)內(nèi)職業(yè)院校紛紛開(kāi)設(shè)無(wú)人機(jī)應(yīng)用技術(shù)專(zhuān)業(yè)。無(wú)人機(jī)組裝與調(diào)試是無(wú)人機(jī)應(yīng)用技術(shù)專(zhuān)業(yè)的一門(mén)重要專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課程。無(wú)人機(jī)的調(diào)試通常在地面站軟件中進(jìn)行，包括安裝固件、機(jī)架選型、遙控器校準(zhǔn)、電調(diào)校準(zhǔn)、電機(jī)測(cè)試、飛行模式設(shè)置、調(diào)節(jié)比例—積分—微分（Proportion Integral Differential，PID）參數(shù)等步驟[1]。但在進(jìn)行飛行模式設(shè)置與調(diào)節(jié)PID參數(shù)時(shí)，無(wú)法直接查看調(diào)試效果，需要實(shí)際飛行后再進(jìn)行反復(fù)調(diào)試，效率較低且存在一定的安全隱患。針對(duì)此問(wèn)題，本文采用仿真可視化技術(shù)，搭建無(wú)人機(jī)調(diào)試實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，實(shí)時(shí)顯示無(wú)人機(jī)的姿態(tài)和位置信息，幫助學(xué)生加深對(duì)無(wú)人機(jī)飛行控制過(guò)程的理解和掌握。

1 ? ?實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的建立

1.1 ?控制器設(shè)計(jì)

本文采用的四旋翼無(wú)人機(jī)是“X”字型，電機(jī)分為兩組，1號(hào)和3號(hào)電機(jī)順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，2號(hào)和4號(hào)電機(jī)逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，通過(guò)不同的油門(mén)指令，使其具備俯仰、橫滾、偏航、縱向運(yùn)動(dòng)狀態(tài)[1]。

本文的無(wú)人機(jī)在螺旋槳產(chǎn)生的外力和力矩作用，形成線運(yùn)動(dòng)和角運(yùn)動(dòng)，輸入航跡點(diǎn)數(shù)據(jù)模擬無(wú)人機(jī)的期望位置值，采用串級(jí)PID算法實(shí)現(xiàn)位置控制器，使無(wú)人機(jī)實(shí)際位置與期望位置保持一致，同時(shí)，將期望位置轉(zhuǎn)換為期望角度作為姿態(tài)控制器的輸入值，姿態(tài)控制器輸出控制量信號(hào)作為油門(mén)指令輸入到系統(tǒng)模型中，最終確立油門(mén)指令與無(wú)人機(jī)位置和姿態(tài)之間的映射關(guān)系[2]?？刂破髟O(shè)計(jì)總體框架如圖1所示。

1.2 ?飛行模式切換

四旋翼無(wú)人機(jī)的半自主飛行功能，包含遙控器指令和飛行器自身事件變化觸發(fā)無(wú)人機(jī)的飛行狀態(tài)發(fā)生改變。通常四旋翼無(wú)人機(jī)遙控器上的飛行模式開(kāi)關(guān)包含以下幾種功能：定高飛行、自穩(wěn)飛行、一鍵返航、自動(dòng)著陸、留待模式[2]。

本文基于Stateflow工具箱在仿真系統(tǒng)中利用狀態(tài)機(jī)實(shí)現(xiàn)四旋翼無(wú)人機(jī)的模式切換，從而驗(yàn)證各種飛行模式下以及模式切換過(guò)程中，系統(tǒng)模型及控制系統(tǒng)的工作狀態(tài)、穩(wěn)定性及性能。狀態(tài)機(jī)轉(zhuǎn)移條件及控制器指令如表1所示。

1.3 ?FlightGear的連接

FlightGear是一個(gè)開(kāi)源的三維飛行模擬軟件，提供了豐富的輸入輸出接口，可以輸入輸出儀表數(shù)據(jù)、操縱數(shù)據(jù)等，配置簡(jiǎn)單，并且可以在Simulink中通過(guò)運(yùn)行腳本文件直接調(diào)用[3]。本平臺(tái)采用Simulink庫(kù)中的“Pack net_fdm Packet for FlightGear”模塊將仿真得到的無(wú)人機(jī)姿態(tài)、位置等數(shù)據(jù)封裝起來(lái)，通過(guò)“Send net_fdm Packet to FlightGear”模塊將數(shù)據(jù)通過(guò)UDP接口發(fā)送給FlightGear。在腳本文件中設(shè)置FlightGear的輸入輸出接口[3]，其中，Protocol設(shè)置為Native-fdm，Medium設(shè)置為socket;Hz設(shè)置為30，Direction設(shè)置為in，端口選擇5502，選擇UDP模式。腳本內(nèi)容如下所示：

--native-fdm=socket，in，30，127.0.0.1，5502，udp

--native-ctrls=socket，out，30，127.0.0.1，5505，udp

配置完成后，即可在仿真平臺(tái)上實(shí)時(shí)顯示無(wú)人機(jī)三維模型的飛行效果。

2 ? ?實(shí)時(shí)仿真實(shí)驗(yàn)演示

2.1 ?PID參數(shù)調(diào)節(jié)實(shí)驗(yàn)

常規(guī)的PID控制由比例項(xiàng)（P）、積分項(xiàng)（I）、微分項(xiàng)（D）3部分組成。串級(jí)PID控制器的參數(shù)調(diào)節(jié)可分為內(nèi)環(huán)參數(shù)調(diào)節(jié)、外環(huán)參數(shù)調(diào)節(jié)，以無(wú)人機(jī)單通道姿態(tài)（俯仰）控制系統(tǒng)為例，采用試湊法，分別對(duì)比例項(xiàng)參數(shù)、積分項(xiàng)參數(shù)、微分項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行修改。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。

（1）比例項(xiàng)參數(shù)的影響：由小變大，響應(yīng)速度加快，超調(diào)量變大，穩(wěn)定性變?nèi)?。?）積分項(xiàng)參數(shù)的影響：積分環(huán)節(jié)消除穩(wěn)態(tài)誤差，過(guò)大的積分會(huì)造成超調(diào)。積分會(huì)造成響應(yīng)滯后，積分的飽和作用。（3）微分項(xiàng)參數(shù)的影響：引入阻尼，減小系統(tǒng)超調(diào)量，調(diào)節(jié)時(shí)間變長(zhǎng)，放大系統(tǒng)噪聲，抗干擾能力減弱。PID參數(shù)調(diào)節(jié)過(guò)程，通常是取3部分的折中，解決控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性與準(zhǔn)確性的矛盾。

此平臺(tái)還可以開(kāi)設(shè)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目有：（1）單通道姿態(tài)（滾轉(zhuǎn)、俯仰、偏航）控制系統(tǒng)仿真實(shí)驗(yàn)。（2）高度控制系統(tǒng)仿真實(shí)驗(yàn)。（3）橫側(cè)向姿態(tài)控制系統(tǒng)仿真實(shí)驗(yàn)。

2.2 ?飛行模式切換實(shí)驗(yàn)

四旋翼無(wú)人機(jī)的模式切換仿真得到的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，可以觀察對(duì)應(yīng)的位置變化過(guò)程，如圖3所示。起始階段MODE值為0，無(wú)人機(jī)根據(jù)遙控器指令手動(dòng)飛行，1 s后MODE值切換為3，進(jìn)行軌跡跟蹤飛行，經(jīng)過(guò)正方形航跡點(diǎn)P1（0， 0， -50），P2（-50， 0， -50），P3（-50， 25， -50），P4（-50， 50， -50），P5（-25， 50， -50），P6（0，50， -50），P7（0， 25， -50），P8（0， 0， -50）完成軌跡跟蹤飛行后，MODE值切換為1，進(jìn)入返航狀態(tài)，到達(dá)終點(diǎn)位置上方后，MODE值切換為2，進(jìn)入降落狀態(tài)，飛行到達(dá)終點(diǎn)。

跟隨無(wú)人機(jī)模式的切換，可以實(shí)時(shí)查看四旋翼無(wú)人機(jī)在空中飛行姿態(tài)以及位置的變化，非常直觀和方便。FlightGear運(yùn)行場(chǎng)景如圖4所示。

3 ? ?結(jié)語(yǔ)

在該仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上，可以開(kāi)展四旋翼無(wú)人機(jī)的控制器調(diào)參實(shí)驗(yàn)、飛行模式切換實(shí)驗(yàn)，不受空間和時(shí)間的限制，同時(shí)，可以規(guī)避實(shí)物調(diào)試以及試飛可能帶來(lái)的安全風(fēng)險(xiǎn)。通過(guò)三維立體實(shí)時(shí)顯示，讓學(xué)生對(duì)無(wú)人機(jī)調(diào)試效果有直觀地認(rèn)識(shí)和理解，對(duì)無(wú)人機(jī)飛行控制過(guò)程有一個(gè)全面、系統(tǒng)的把握，完成無(wú)人機(jī)飛行全過(guò)程的模擬與驗(yàn)證，為后續(xù)的無(wú)人機(jī)開(kāi)發(fā)與設(shè)計(jì)等課程打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

[參考文獻(xiàn)]

[1]QUAN Q.Introduction to multicopter design and control[M].Singapore：Springer Materials，2017.

[2]黃芳艷，劉永福，林鎮(zhèn)滔，等.基于四旋翼無(wú)人機(jī)的組裝與調(diào)試研究[J].科技與創(chuàng)新，2019（16）：38-39.

[3]楊?yuàn)檴?，王?基于FlightGear的三維可視化飛行控制仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的設(shè)計(jì)[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2017（7）：113-117.

Design of simulation experiment platform of quad-rotor UAV based on Matlab/FlightGear

Zhang Mingjia， Feng Xiu

（Nanjing Polytechnic Institute， Nanjing 210048， China）

Abstract：Based on a six-degree quad-rotor UAV， a simulation experimental platform based on FlightGear is presented in this paper. The platform implements the simulation design of UAV model and control system based on Matlab/Simulink. The model switching of UAVs take-off， track tracking， auto-return and landing flight is realized based on Stateflow tools， and the 3D real-time visualization of the quad-rotor UAV under the complete flight scene is implemented by using FlightGear simulator.

Key words：quad-rotor unmanned aerial vehicle; FlightGear; model switch; simulation experiment