基于虛擬儀器的導航控制實驗教學平臺設計

王玲玲，富立

摘要：為了豐富導航專業課程設計和綜合實驗的教學內容，設計了導航控制一體化的單旋翼飛行器綜合實驗教學平臺，并采用虛擬儀器搭建了該實驗教學平臺的數據分析和導航控制程序。基于該實驗教學平臺新增了嵌入式導航算法設計、PID和抗擾動控制算法比較等實驗教學內容，取得了較好的教學效果。

關鍵詞：虛擬儀器；導航控制；實驗平臺；綜合實驗

中圖分類號：U666.1 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2017）48-0277-02

一、引言

課程設計和綜合實驗是北航自動化專業本科實踐教學的重要環節。近幾年，在校、院、系各級領導關懷和大力支持下，教學過程沖破傳統觀念束縛，結合專業特點進行了大膽探索，注重多學科之間的融合，研制了基于虛擬儀器的單旋翼無人飛行器導航控制實驗平臺，將慣性信息、導航與控制融為一體，既豐富了課程設計和綜合實驗內容，又實現了學生與實驗對象之間的交互式操作，為提高學生的創新實踐能力奠定了基礎[1-4]。

二、單旋翼無人飛行器導航控制實驗平臺結構分析

考慮到單旋翼無人飛行器導航控制實驗平臺在教學過程中的具體應用，為了提高實驗平臺的運行效率，將其分為了兩部分：空中部分和地面控制系統部分，如圖1所示。

其中空中部分為單旋翼無人飛行器本體，主要包括碳纖維材質的飛行器框架、慣性測量組件、電機、馬達、驅動器等；地面部分主要是基于虛擬儀器開發的具備可重復編程、實時監測飛行器狀態、靈活可靠的地面控制系統，包括數據采集設備、PWM輸出設備、無刷電機控制器等。空中和地面部分之間的通信通過Wifi無線傳輸實現。

三、基于虛擬儀器的控制系統設計

1.虛擬儀器功能與應用。利用LABVIEW可為用戶提供靈活交互的可編程界面，單旋翼無人飛行器導航控制實驗平臺的地面控制系統采用了NI-9401，NI-9474和NI CRIO-9074，分別作為無人飛行器信號采集卡、PWM 輸出卡和遠程飛行控制卡。其中作為地面控制系統主要部件的NI CRIO-9074控制器由CompactRIO套件組成，包括嵌入式實時控制器、底層FPGA開發包和豐富的I/O端子，分別可通過基于主機的LABVIEW圖形化編程語言操作。為了提高無人機中傳感器的數據采樣率及信息預處理效率，采用底層FPGA模塊實時采集相關信息并處理。

2.基于LABVIEW的控制系統實現。虛擬儀器構建的地面控制系統除了完成慣性信息的采集和處理外，還需要實現對空中無人飛行器的控制。因此，需要通過Labview編程實現控制算法，并通過無線傳輸方式控制飛行器的運行狀態。在建立無人飛行器動態模型基礎上，設計了基于PID和抗擾動控制器相結合的旋翼無人機姿態控制算法如圖2所示：

通過在線調節控制系統的增益參數可實現對旋翼無人機的穩定控制。可視化程序及在線調試方式增強了學生的直觀性認識，為學生對比不同控制算法的控制效果提供了有利條件。

四、應用情況及改進

導航控制的專業實驗項目之前比較單一化，主要是以捷聯導航算法的驗證為主，并未與控制領域知識點相銜接。基于虛擬儀器的單旋翼無人飛行器導航控制實驗平臺的應用，在涵蓋以前所有專業實驗項目的基礎上，不僅豐富了專業實驗教學內容，關鍵是實現了信息處理、導航、控制學科間的融合，增開了嵌入式導航算法的設計與實現、控制方法的在線調試與設計、無人飛行器懸停控制方法的比較等多項專業綜合實驗，極大地激發了學生的實驗興趣，使更多的學生在創新思維、創新能力方面得到鍛煉。目前該實驗平臺已經在導航專業課程設計與綜合實驗中為三屆學生提供了便利，獲得學生的一致好評。作為新開發的實驗設備，該實驗平臺在目前的教學過程中已初見成效。考慮到未來的發展趨勢，此后將研制多套單旋翼無人飛行器導航控制實驗平臺，實現單旋翼無人飛行器群之間的協同控制。

參考文獻：

[1]王文花.深化實驗教學改革的途徑[J].實驗室研究與探索，2005，24（6）：11-13.

[2]謝新開.自動化專業綜合實驗教學改革探析[J].實驗科學與技術，2009，（10）：102-104.

[3]黃愛民.對建立實驗教學體系的思索[J].實驗室科學，2003，（5）：17-19.

[4]馮毅萍.自動化實踐類課程成績綜合評定創新研究[J].實驗技術與管理，2006，23（3）：19-21.endprint