四旋翼飛行器控制算法遠程教學實驗平臺設計

范云生，陳欣宇，趙永生，慕東東，柳麗川

（大連海事大學船舶電氣工程學院；遼寧省智能船舶技術與系統重點實驗室，遼寧大連 116026）

0 引言

四旋翼飛行器為代表的無人機取得了突破性的成果，在農藥噴灑、地形探測、電力巡檢、環境檢測、目標追蹤、災后救援、貨物運輸等［1-3］領域均有大量需求。因此，越來越多的科研人員投身于四旋翼飛行器的基礎理論和工程應用的研究工作，相應，各大高校也紛紛開設相關課程［4］。四旋翼飛行器飛行控制作為新興的授課重點，課堂講授大多以理論為主，但缺乏實物操作，實驗室硬件也不可能完全做到及時更新。四旋翼飛行器飛行控制算法教學是一門綜合了多方面內容的課程，包含了數學建模、運動控制、航跡規劃、優化算法和可視化編程技術等［5］。傳統四旋翼飛行器的教學存在飛行器的理論學習和實際操作分開進行，飛行器的操作事故、高成本等問題導致實驗資源缺乏，實驗與課程內容無法相匹配而不能滿足理論驗證的要求。僅靠理論學習不能使學生充分掌握飛行器控制算法，對控制效果的驗證也不夠直觀［6］。由于四旋翼飛行器造價昂貴，操作飛行具有一定的危險性。因此，四旋翼飛行器仿真平臺的研究受到國內外廣大研究人員的關注［7］。康考迪亞大學首先提出利用Qball-X4 四旋翼飛行器為平臺為本科生及研究生開設了飛行控制系統和故障診斷與容錯控制系統課程［8］。Ai-Omari 等［9］提出了一種為室內四旋翼應用開發集成了控制器子系統和室內互動環境子系統的仿真平臺。微軟研究院利用計算和圖形學的最新發展技術來模擬物理和感知，從而使環境真實地反映實際世界［10］。國內西北工業大學利用飛控計算機硬件和Matlab xPC Target模塊軟件結合，設計了半實物的仿真系統，提供了可行的無人機飛控開發平臺［11］。浙江工業大學通過ROS 集成的可視化功能建立了開放性的無人機仿真實驗教學平臺，學生可在使用該平臺的過程中學習到無人機的運動控制、航跡規劃和可視化編程等技術［12］。南京航空航天大學設計了相應的硬件系統和軟件平臺，開發了基于旋翼式無人機的導航實驗教學開發平臺，為相關專業提供了綜合的實驗環境［13］。

然而，目前大多的四旋翼教學實驗平臺仍存在一定的缺陷：對四旋翼飛行器的仿真較為簡單、片面，不能完全體現四旋翼飛行器復雜多變的實際控制情況；實驗平臺功能比較單一，不能體現四旋翼飛行器在各領域的綜合應用；實驗平臺所設置的實驗不夠靈活，使用人員只需按實驗步驟即可完成實驗，不能提高自己的創新能力；只針對個體部分，面向的學生和人數受空間和時間的約束，不適合大規模普及；實驗平臺需線下使用，難以應對學生異地在線學習的需求。

鑒于當前四旋翼實驗平臺存在的缺陷，同時為適應時代科技的發展與科學研究的需求［14］，本文設計并開發了面向四旋翼飛行器控制算法驗證的開放式遠程實驗平臺。該平臺采用了多媒體、人機交互、數據庫和網絡通訊等技術，構建高度逼真的四旋翼飛行器建模、控制算法推導分析、實際飛行實驗等全過程，可實現遠程、多端、共享的虛擬實驗教學。通過對四旋翼飛行器的仿真模型和實物設計軌跡跟蹤控制實驗對實驗平臺進行驗證。對比飛行器的仿真實驗結果和實物實驗結果，驗證平臺仿真實驗功能的可靠性及真實性；通過實驗結果證明設計的積分型反步法控制器的有效性。

1 四旋翼飛行器實驗平臺設計

1.1 硬件介紹

本文實驗采用的硬件：①Quanser 公司的QBall2四旋翼飛行器，帶有4 個電機，裝配著10 in大小的槳葉，整體由碳纖維桿構造的球形保護籠保護著的四旋翼飛行器，包含航空電子設備數據采集卡以及HiQ DAQ嵌入式微處理器來測量機載傳感器和驅動電機，可開發更廣泛的研究；②OPtiTrack公司的Flex 3 動作捕捉相機，有效覆蓋空間為1.5 m×1.5 m×1 m；③聯想公司的ThinkCentre M8500t-D231 計算機，安裝了Matlab2014a仿真軟件。

控制算法驗證實驗平臺以室內定位QBall2 為研究實驗對象，定位采用Flex 3 動作捕捉相機。平臺結構組成如圖1 所示。

圖1 教學平臺結構組成

（1）四旋翼飛行器QBall2 模型。圖2 為QBall2飛行器的實物，定義地面坐標系（x，y，z）和機體坐標系（x'，y'，z'），圖3 為飛行器在建立的空間坐標系內的模型定義。在慣性坐標系下，四旋翼無人飛行器的運動形態如圖所示，同時給出該飛行器的空間姿態角（歐拉角）及其正向定義，其中飛行器繞x'軸向右轉動為橫滾角φ 的正向；飛行器繞y'軸向下轉動為俯仰角θ的正向；飛行器繞z'軸向左轉動為偏航角Ψ的正向。

圖2 QBall2飛行坐標系

圖3 空間坐標系內模型定義

（2）動作捕捉定位系統。圖4 為Flex 3 動作捕捉相機，可將影像捕捉、數據處理和動作追蹤集成于一體，能夠以每秒100 幀的速度捕捉快速移動的物體。它擁有先進的運動數據處理算法，分辨率最大可達640 ×480 VGA，同時也可以追蹤次毫米級標記點的運動，且具重復精度。該攝像機的組件標準且價格較低，同時支持擴展開發，在紅外光追蹤定位系統中處于領先地位。

圖4 Flex3動作捕捉相機

1.2 軟件介紹

實時控制軟件采用Quanser 公司的QUARC，滿足本文平臺快速、實時控制的使用要求。QUARC可直接安裝到Simulink中，在不同的仿真目標下，Simulink 模塊程序都可實時運行。該插件擁有開放式結構的硬件設備，并包含廣泛的Simulink 模塊，利于用戶對其開發。在本平臺飛行器運行時，QUARC可針對飛行器上安裝的嵌入式的微處理器，自動生成代碼。在平臺使用期間，微處理器處理設計的控制器，用戶也可以根據傳感器測量得到的值實時地在電腦端修改控制器的參數以達到最佳的控制效果。

1.3 實驗平臺功能設計

本文設計的四旋翼飛行器控制算法遠程實驗平臺主要功能包括飛行控制原理和數學建模、定點懸停實驗和軌跡跟蹤控制實驗，其具體內容見圖5 所示。

圖5 實驗平臺功能設計

（1）四旋翼飛行器飛行控制原理和數學建模。通過QBall2 了解飛行器的組成部分，更深入地理解飛行器的飛行控制原理，學習飛行器是如何通過4 個電機帶動旋翼的旋轉產生不同的升力來改變自身的姿態，姿態的改變進而使其自身產生相應的位置變化得到飛行器垂直方向的升降、前后方向的前進后退、左右方向的左移右移和偏航幾種基本運動。根據飛控原理充分了解飛行器在各種飛行狀態下的動力學特性，同時為使得到的非線性數學模型更加符合實際，需對其進行簡化或增加條件。

（2）四旋翼飛行器平臺環境描述。本文實驗平臺利用QBall2 四旋翼無人飛行器，并結合Flex 3 動作捕捉相機定位系統搭建的四旋翼飛行器實驗平臺環境如圖6 所示。其中：圖6（a）為由6 個Flex 3 動作捕捉虛擬攝像機組成的定位裝置；圖6（b）為裝有MATLAB／Simulink的電腦端控制平臺及用于傳輸數據的無線路由器；圖6（c）為QBall2 飛行器；圖6（d）為實際實驗中的平臺效果展示圖。

圖6 四旋翼飛行器實驗平臺環境

實驗時需在QBall2 飛行器上安裝動作捕捉標志點，利用OptiTrack攝像頭識別標志點來確認飛行器在室內的位置信息，通過QUARC 將仿真程序編譯下載到飛行器控制器。同時，利用無線路由器傳輸電腦端的控制指令和封裝模塊讀取到的攝像頭識別飛行器的位置信息，并將QBall2 飛行器上的傳感器檢測到的姿態等信息傳輸回電腦端，實現實驗平臺對QBall2 飛行器的實時監控和實時控制［15］。

（3）四旋翼飛行器定點懸停實驗。四旋翼飛行器定點懸停是室內定位QBall2 飛行器一項不可缺少需要掌握的操作，需要選定具體的定點位置信息、推導控制算法的控制律、設置飛行參數，并分析飛行器參數、傳感器參數等數據，實現高精度的定點懸停，對不同的控制算法進行比較，理解參數的實際含義，掌握四旋翼飛行器定點懸停操作過程。

（4）四旋翼飛行器軌跡跟蹤控制實驗。四旋翼飛行器軌跡跟蹤控制（姿態控制和位置控制）是飛行器多種應用的關鍵技術之一。該任務多變量、強耦合的特性加大了控制系統的設計難度，主要為：①根據四旋翼飛行器硬件參數建立其帶性能約束的動力學模型；②根據任務需求設計非線性的飛行器姿態環及位置環控制器，并證明控制律的穩定性；③對設計控制器的參數進行調整，實現飛行器高精度的軌跡跟蹤控制。

2 四旋翼飛行器實驗平臺應用

以四旋翼飛行器軌跡跟蹤控制研究為例，訓練學生使用平臺、設計控制算法等的能力。

2.1 實驗目的

平臺實驗的四旋翼飛行器軌跡跟蹤控制是室內定位QBall2 飛行器必須掌握的操作，其目的：在仿真平臺上學習飛行器的基礎知識及飛行原理等，并掌握其控制原理，學習積分型反步法控制器的設計與應用；通過半實物飛行操作實驗平臺及時的反饋飛行的狀況，讓學生能夠直觀地感受操作，并觀看其實際的飛行過程。

2.2 仿真實驗過程

針對四旋翼飛行器非線性、欠驅動、強耦合的特點，設計了圖7 所示的控制方案。給出飛行器的期望位置，由位置控制器得到期望姿態角，再由姿態控制器得到動力學模型輸入量，最后輸出飛行器的位置、姿態信息并反饋到控制器中，實現雙閉環控制。

圖7 軌跡跟蹤控制框圖

四旋翼飛行器仿真實驗過程：①利用MATLAB／Simulink中的S函數模塊及QBall2 飛行器的硬件相關參數搭建帶性能約束的動力學仿真模型；②根據控制算法推導飛行器位置及姿態的控制律，并在仿真中應用；③給出飛行器期望位置，對整體仿真程序進行參數調試。

2.3 實物實驗過程

四旋翼飛行器實物實驗過程：①將QBall2 飛行器、Flex3 動作捕捉相機和QUARC 軟件通過無線路由建立通訊聯系；②將飛行器放置提前校正好的起始點，打開飛行器總開關，然后將推導的算法控制律添加在原始程序，修改原始程序，并將飛行器的跟蹤軌跡寫入程序，通過下載程序到飛行器中，啟動飛行器，飛行器按照預先設置好的軌跡路線，進行軌跡跟蹤飛行，并實時反饋當前的位置信息，實現高精度軌跡跟蹤；③當軌跡跟蹤結束后，飛行器飛回起點，等待降落指令，一旦接收到降落信息，飛行器便開始著落。

2.4 實驗結果

四旋翼飛行器的起始點為（0，0，0），期望軌跡由軌跡點組成：P1（0，0，0.2），P2（0，0.5，0.5），P3（0.5，0.5，0.5），P4（0.5，-0.5，0.5），P5（-0.5，-0.5，0.5），P6（-0.5，0.5，0.5），P7（0，0，0.5），P8（0，0，0）。考慮安全問題，在達到期望點0.15 m 內即認為達到目標。

圖8、9 所示分別為四旋翼飛行器控制算法實驗平臺在進行軌跡跟蹤實驗下的仿真實驗結果和實物實驗結果圖，分別表達了仿真和實物實驗時在三維與平面圖中的飛行軌跡圖，同時給出了飛行器位置、姿態的跟蹤結果。由圖可知：①仿真結果和實物實驗結果較貼合，證明設計的動力學仿真模型的可靠性與真實性；②飛行器可以快速跟蹤期望軌跡，最大位置誤差為0.1 m且能在3 s 內收斂，可驗證設計的積分型反步法控制器的有效性。因此可利用本文平臺的仿真實驗功能對控制算法進行設計，并利用實物實驗功能對算法進行驗證。

圖8 仿真實驗結果

圖9 實物實驗結果

3 結語

本文研究與設計的四旋翼飛行器控制算法驗證的遠程實驗教學平臺，結合QBall2 四旋翼飛行器和QUARC軟件，通過多媒體、人機交互、數據庫和網絡通信等技術，實現了遠程、多端、共享的教學實驗平臺，在滿足了教學需要的同時降低了危險和費用。同時以四旋翼飛行器軌跡跟蹤控制實驗為例，分別設計并開展了仿真實驗及實物實驗，實驗結果表明：①設計實驗平臺的仿真實驗具有一定的可靠性與真實性，可以有效應用于控制算法的設計；②設計實驗平臺的實物實驗可在仿真實驗的基礎上順利完成，可以有效應用于控制算法的驗證；③設計的姿態內環、位置外環的雙閉環積分型反步法控制器可以有效應用于四旋翼飛行器，實現低誤差、小超調的軌跡跟蹤控制；④設計的四旋翼飛行器控制算法實驗平臺可以將理論與實踐相結合，大大提升了教學質量，讓學生在實踐中提高自身的科研能力。