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(wú)人機(jī)的飛行控制是當(dāng)前無(wú)人機(jī)研究領(lǐng)域的一個(gè)熱點(diǎn)，目前的控制設(shè)計(jì)多采用Matlab/Smiulink進(jìn)行數(shù)值仿真驗(yàn)證，仿真環(huán)境中較少考慮機(jī)載設(shè)備的作用。而在無(wú)人機(jī)原型開(kāi)發(fā)過(guò)程中，又多采用現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試的方法，但這種方法不利于實(shí)現(xiàn)控制算法及參數(shù)的快速更改。為提高對(duì)飛行控制算法的開(kāi)發(fā)效率，文章設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種多旋翼無(wú)人機(jī)可視化半實(shí)物仿真平臺(tái)。實(shí)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(jī)交互界面和數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)顯示；完成了基于LabVIEW飛行姿態(tài)控制的仿真平臺(tái)的研制，實(shí)現(xiàn)了飛行姿態(tài)控制仿真演示和飛行姿態(tài)控制半開(kāi)放仿真設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)效果達(dá)到預(yù)期實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)目標(biāo)。

關(guān)鍵詞：多旋翼飛行器；虛擬儀器；LabVIEW；半實(shí)物仿真；3D顯示

1 概述

隨著航空技術(shù)的進(jìn)步，飛機(jī)從客車、火車、輪船等交通運(yùn)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(guó)際間運(yùn)輸?shù)闹饕煌üぞ摺?shù)據(jù)顯示，飛機(jī)承擔(dān)著大部分的國(guó)際客運(yùn)及貨運(yùn)任務(wù)，分別占據(jù)國(guó)際客運(yùn)、貨運(yùn)總數(shù)的60%和70%以上，是完成國(guó)際間運(yùn)輸?shù)闹匾\(yùn)輸方式。此外，飛機(jī)具有更舒適、安全的特點(diǎn)。飛機(jī)在飛行時(shí)，受到自然環(huán)境的影響和阻礙相對(duì)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(shí)作出調(diào)整。但是，飛機(jī)和其他交通工具一樣，同樣存在安全上的問(wèn)題。飛機(jī)的事故多發(fā)在起飛和降落的過(guò)程當(dāng)中，在這兩個(gè)階段，飛機(jī)容易出現(xiàn)因故障而導(dǎo)致失速的現(xiàn)象，這些事故對(duì)生命和財(cái)產(chǎn)都造成了巨大的損失，因此，改善、解決這一問(wèn)題成為了當(dāng)前的重要任務(wù)之一。為解決這一問(wèn)題，自轉(zhuǎn)旋翼機(jī)應(yīng)運(yùn)而生。旋翼飛機(jī)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(dòng)力來(lái)提供飛機(jī)所需的升力，在此過(guò)程中旋翼借助前飛時(shí)產(chǎn)生的相對(duì)氣流完成自轉(zhuǎn)；而動(dòng)螺旋槳?jiǎng)t由發(fā)動(dòng)機(jī)帶動(dòng)，直接為旋翼機(jī)提供前進(jìn)力。

文章將在分析飛機(jī)飛行時(shí)涉及到的運(yùn)動(dòng)原理作出分析，并從靜態(tài)指針和動(dòng)態(tài)指針兩個(gè)方面對(duì)穩(wěn)態(tài)誤差、上升時(shí)間、超調(diào)量進(jìn)行確定，此外建設(shè)簡(jiǎn)化模型，對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行探討。

2 旋翼飛行的基本原理

旋翼飛機(jī)同時(shí)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(jī)提供前進(jìn)的動(dòng)力。這種飛行器介于飛機(jī)和直升機(jī)之間，它的旋翼和發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)不相連，旋翼的轉(zhuǎn)動(dòng)靠的是飛機(jī)飛行時(shí)產(chǎn)生的氣流而非發(fā)動(dòng)機(jī)，前方的氣流使旋翼轉(zhuǎn)動(dòng)，從而產(chǎn)生升力；這個(gè)過(guò)程類似于風(fēng)車的轉(zhuǎn)動(dòng)，旋翼系統(tǒng)只在預(yù)旋時(shí)靠自身的力量旋轉(zhuǎn)，而后全憑空氣的作用力來(lái)實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)。與之相反的，直升機(jī)的旋翼與發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)是相連的，能一并提供直升機(jī)飛行時(shí)需要的升力與動(dòng)力，類似于電扇的運(yùn)轉(zhuǎn)。旋翼飛機(jī)的旋翼是自轉(zhuǎn)式的，這使得旋翼飛機(jī)受到扭矩的影響較小，所以通常只需裝上尾翼控制飛機(jī)的飛行即可。旋翼在旋翼機(jī)的飛行中提供了絕大部分甚至全部的升力，固定機(jī)翼在此機(jī)種飛行時(shí)則呈現(xiàn)了可有可無(wú)的狀態(tài)。

3 MatLab與LabVIEW的比較

3.1 MatLab介紹

MatLab是面向科學(xué)與工程計(jì)算的高級(jí)語(yǔ)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(yǔ)言。其編程效率、可移植性和可讀性都明顯高于其他高級(jí)語(yǔ)言。它是一套高性能的數(shù)值計(jì)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(yùn)算功能強(qiáng)與CAD應(yīng)用程序集等特點(diǎn)，MATLAB已成為國(guó)際控制領(lǐng)域內(nèi)最流行的控制系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件。

3.2 LabVIEW圖形化編程語(yǔ)言介紹

LabVIEW（Laboratory Virtual Instruments Engineering Workbench）是美國(guó) NI公司（National Instrument Company）推出的一種基于G語(yǔ)言（Graphics Language，圖形化編程語(yǔ)言）的虛擬儀器軟件開(kāi)發(fā)工具。它為不熟悉文本語(yǔ)言編程的設(shè)計(jì)者在測(cè)控領(lǐng)域建立計(jì)算機(jī)儀器系統(tǒng)——虛擬儀器，提供了一個(gè)便捷、輕松的圖形化設(shè)計(jì)環(huán)境。LabVIEW具有強(qiáng)大儀器驅(qū)動(dòng)和實(shí)驗(yàn)儀器圖形顯示，LabVIEW使用的是科學(xué)家和工程師們所熟悉的術(shù)語(yǔ)，還使用了很易于識(shí)別的構(gòu)造G語(yǔ)言的圖形符號(hào)，即使具有很少編程經(jīng)驗(yàn)的人也能學(xué)會(huì)使用LabVIEW，圖形化程序設(shè)計(jì)編程簡(jiǎn)單、直觀、開(kāi)發(fā)效率高，如果你好好使用LabVIEW，你就會(huì)發(fā)現(xiàn)他幾乎包含了所有測(cè)控技術(shù)中需要用到的模塊，而這些模塊如果自己編寫(xiě)是極其費(fèi)力的。另外，大部分人現(xiàn)在涉及的gpib開(kāi)發(fā)估計(jì)也僅僅是數(shù)據(jù)采集部分而已，但是一個(gè)完整的測(cè)控系統(tǒng)，數(shù)據(jù)采集僅僅是開(kāi)始，更重要的數(shù)據(jù)后處理，這里，LabVIEW就更加顯得功能強(qiáng)大了。

3.3 MatLab與LabVIEW比拼

LabVIEW又稱為G編程語(yǔ)言，是一種基于非文本的圖形編程語(yǔ)言，LabVIEW借助圖形符號(hào)來(lái)描述程序，從而完成編程。LabVIEW具有強(qiáng)大儀器驅(qū)動(dòng)和實(shí)驗(yàn)儀器圖形顯示，LabVIEW不僅使用了工程師、科學(xué)家們熟悉的術(shù)語(yǔ)，還運(yùn)用了易于識(shí)別的構(gòu)造G語(yǔ)言的圖形符號(hào)，便于編程經(jīng)驗(yàn)少的人學(xué)習(xí)、使用，圖形化程序設(shè)計(jì)編程簡(jiǎn)單、直觀、開(kāi)發(fā)效率高，若運(yùn)用得好LabVIEW，就會(huì)發(fā)現(xiàn)它幾乎包含了所有測(cè)控技術(shù)中需要用到的模塊，而這些模塊如果自己編寫(xiě)是及其費(fèi)力的，另外，大部分人現(xiàn)在涉及的gpib開(kāi)發(fā)估計(jì)也僅僅是數(shù)據(jù)采集部分而已，但是一個(gè)完整的測(cè)控系統(tǒng)，數(shù)據(jù)采集僅僅是開(kāi)始，更重要的數(shù)據(jù)后處理，這里，LabVIEW就更加顯得功能強(qiáng)大了。

4 飛行器控制設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

4.1 程序設(shè)計(jì)

對(duì)于實(shí)時(shí)仿真，可以在LabVIEW中使用3D畫(huà)面來(lái)形象地反映飛機(jī)的飛行狀態(tài)。主要程序及顯示結(jié)果見(jiàn)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?yàn)樵O(shè)計(jì)不同，控制器開(kāi)放程度不一樣，具體設(shè)計(jì)不做詳細(xì)講解，控制選擇如圖3所示。

（1）仿真運(yùn)行。打開(kāi)“控制界面”應(yīng)用程序，保留默認(rèn)設(shè)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(kāi)關(guān)撥到“運(yùn)行”一邊，仿真開(kāi)始。其中控制器PID參數(shù)可調(diào)，可以通過(guò)仿真平臺(tái)學(xué)習(xí)PID參數(shù)整定方法，直觀看到整定效果。可看到飛行畫(huà)面中的飛機(jī)開(kāi)始相對(duì)地面運(yùn)動(dòng)，鍵盤(pán)上的“Insert”和“Delete”鍵可調(diào)節(jié)觀察遠(yuǎn)近；“Home”和“End”鍵可使觀察點(diǎn)繞飛行器水平轉(zhuǎn)動(dòng)；“PageUp”和“PageDown”鍵可使觀察點(diǎn)繞飛機(jī)垂直轉(zhuǎn)動(dòng)。

（2）采用鍵盤(pán)控制可觀察俯仰、滾轉(zhuǎn)角、偏航角控制效果。開(kāi)始仿真后，鍵盤(pán)上的“↑”和“↓”方向鍵分別用來(lái)增大和減小俯仰角的設(shè)定值，也可以在“設(shè)定值”欄中輸入俯仰角的具體角度。“航向控制選擇”下拉列表改選為“手動(dòng)控制”，鍵盤(pán)上的“←”和“→”方向鍵分別用來(lái)增大和減小滾轉(zhuǎn)角的設(shè)定值，同理也可以在“設(shè)定值”欄中輸入滾轉(zhuǎn)角的具體角度。“航向控制”選擇下拉列表改回“程序化控制”鍵盤(pán)上的“D”和“A”字母鍵分別用來(lái)增大和減小偏航角的設(shè)定值，同理也可以在“設(shè)定值”欄中輸入偏航角的具體角度。

5 結(jié)束語(yǔ)

文章是基于2014年貴州省教育廳教育科學(xué)規(guī)劃立項(xiàng)課題的青年課題《基于智能小車及多旋翼飛行器設(shè)計(jì)的電子信息類專業(yè)項(xiàng)目式教學(xué)研究》完成的，在部分師生已對(duì)此項(xiàng)設(shè)計(jì)進(jìn)行嘗試運(yùn)行并取得成功的前提下，并得到學(xué)校領(lǐng)導(dǎo)的幫助，以及相關(guān)基金的資助，正準(zhǔn)備引入項(xiàng)目式教學(xué)中，利用此項(xiàng)設(shè)計(jì)完善學(xué)校的實(shí)驗(yàn)教學(xué)。這種新的教學(xué)方法不僅能讓更多學(xué)生參與其中，還能將學(xué)生取得的優(yōu)秀成果運(yùn)用到實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)工作上，為今后的教學(xué)和學(xué)生實(shí)踐提供參考和開(kāi)設(shè)新的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，使得實(shí)驗(yàn)資源得到充分利用。

參考文獻(xiàn)

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