2.3 进阶实验

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2.3.0 进阶实验总览

  • 该进阶课程文件夹“RflySimAPIs\Exp02_FlightControl”，具体原理请学习进阶版课程对应PPT及readme.pdf文件。

2.3.1 动力系统设计实验

  • 本实验的目标如下：
    1. 分析多旋翼总质量、转动惯量矩阵、螺旋桨推力系数、螺旋桨拉力系数对整个多旋翼飞行性能产生的影响。
    2. 建立完整的多旋翼飞行器模型，并在RflySim3D中添加四旋翼的三维模型。

  • 实验文件夹为“RflySimAPIs\Exp02_FlightControl\e2-UavModeling”，具体实验原理请学习进阶版课程，实验操作步骤见文件readme.pdf。

  • 实验效果如下(部分)：

2.3.2 动态建模实验

  • 本实验的目标如下：
    1. 利用多旋翼飞行评估网站，设计多旋翼飞行器动力系统；
    2. 根据已知信息，设计出多旋翼飞行器的动力系统并与 多旋翼飞行评估网站 生成的参数进行对比，分析在不同城市、温度、螺旋桨大小和数量对多旋翼飞行器的悬停事件影响。
  • 实验文件夹为“RflySimAPIs\Exp02_FlightControl\e3-SensorCalib”，具体实验原理请学习进阶版课程，实验操作步骤见文件readme.pdf。
  • 实验效果如下(部分)：

2.3.3 传感器标定实验

  • 本实验的目标如下：
    1. 根据实验中所提供的数据，完成互补滤波，与原数据和Pixhawk自带的滤波器算出的数据进行比较，以理解互补滤波器的优点。
    2. 根据给出的磁力计误差模型，设计磁力计数据采集模型，用测得的数据和LM 算法函数求出模型参数的最优解，完成磁力计的标定。
  • 实验文件夹为“RflySimAPIs\Exp02_FlightControl\e1-FlightEval” ，具体实验原理请学习进阶版课程，实验操作步骤见文件readme.pdf。
  • 实验效果如下(部分)：

2.3.4 滤波器设计实验

  • 本实验的目标如下：
    1. 根据实验步骤完成加速度的标定。
    2. 改进互补滤波器中的参数，分析互补滤波器参数对滤波效果的影响。
    3. 理解卡尔曼滤波原理，设计卡尔曼滤波器实现滤波器，处理加速度和角速度数据，并绘制出相关姿态角得数据图。
  • 实验文件夹为“RflySimAPIs\Exp02_FlightControl\e4-FilterDesign”，具体实验原理请学习进阶版课程，实验操作步骤见文件readme.pdf。
  • 实验效果如下(部分)：

2.3.5 姿态控制器设计实验

  • 本实验的目标如下：
    1. 复现四旋翼飞行器的Simulink仿真，分析控制分配器的作用；记录姿态的阶跃响应，并对开环姿态控制系统进行扫频以绘制Bode图，分析闭环姿态控制系统的稳定裕度；完成四旋翼硬件在 环仿真。
    2. 调节PID控制器相关参数以改善控制性能并记录超调量和调节时间，得到一组恰当参数；使用调试后的参数，对系统进行扫频以绘制Bode图，观察系统幅频响应,相频响应曲线，分析其稳定裕度。
    3. 建立姿态控制通道的传递函数模型，设计校正控制器；使用自己设计得控制器进行软、硬件仿真实验及实飞实验。
  • 实验文件夹为“RflySimAPIs\Exp02_FlightControl\e5-AttitudeCtrl”，具体实验原理请学习进阶版课程，实验操作步骤见文件readme.pdf。
  • 实验效果如下(部分)：

2.3.6 定点位置控制器设计实验

  • 本实验的目标如下：
    1. 复现四旋翼Simulink仿真，分析控制作用在 o b x b 轴和 o b y b 轴的解耦；对系统进行扫频以绘制bode图，分析闭环位置控制系统稳定裕度。
    2. 调节PID控制器的相关参数改善系统控制性能；在得到满意参数后，对系统进行扫频以绘制Bode图。
    3. 建立位置控制通道的传递函数模型，使用MATLAB “ControlSystemDesigner”设计校正控制器，并调节系统误差、相对裕度等参数。
  • 实验文件夹为“RflySimAPIs\Exp02_FlightControl\e6-PositionCtrl”，具体实验原理请学习进阶版课程，实验操作步骤见文件readme.pdf。
  • 实验效果如下(部分)：

2.3.7 半自主控制模式设计实验

  • 本实验的目标如下：
    1. 在基于Simulink的控制器设计与仿真平台上，复现仿真实验分析四旋翼姿态和位置响应的特点；
    2. 在自稳模式的基础上改成定高模式。根据实验分析，与自稳模式相比，多旋翼在定高模式下姿态和位置输出值的变化。
    3. 在自稳模式的基础上改成定点模式。根据实验分析，与自稳模式相比，多旋翼在定点模式下姿态和位置输出值的变化；并利用三段拨码开关实现三种模式的自由切换。
  • 实验文件夹为“RflySimAPIs\Exp02_FlightControl\e7-SemiAutoCtrl”，具体实验原理请学习进阶版课程，实验操作步骤见文件readme.pdf。
  • 实验效果如下(部分)：

2.3.8 失效保护逻辑设计实验

  • 本实验的目标如下：
    1. 在Simulink仿真环境中，在手动模式下，实现飞行器的返航与着陆，并记录和分析仿真结果。
    2. 在基础实验的基础上，添加相应的状态转移，在手动模式下，实现飞行器的返航和着陆，并且返航和着陆之间可以相互切换。
    3. 在前面实验的基础上，增加遥控器断电失联事件，完成新的模态和切换设计，即加入失效返航和失效着陆两个状态，完成状态机的设计。

  • 实验文件夹为“RflySimAPIs\Exp02_FlightControl\e8-FailsafeLogic”，具体实验原理请学习进阶版课程，实验操作步骤见文件readme.pdf。

  • 实验效果如下(部分)：

2.3.9 PX4模块替换实验

  • 本实验的目标如下：
    • 实现利用生成的Simulink代码快速替换PX4控制软件的某些原生模块(传感器、滤波器、姿态控制器等)，该实验提供两种方法来实现，分别是：
      1. 打开“Firmware\src\modules\ekf2\ekf2_main.cpp”文件，手动注释掉需屏蔽的模块代码；
      2. 修改PX4模块启动脚本文件 “Firmware\ROMFS\px4fmu_common\init.d\rcS”，并注释掉需屏蔽的模块。
  • 实验文件夹为“RflySimAPIs\Exp02_FlightControl\e9-ReplacePX4Module”，具体实验原理请学习进阶版课程。实验操作步骤见文件readme.pdf。
  • 本实验对“Position & Attitude Estimator”滤波器模块进行了屏蔽，将2.3小节(姿态控制器设计实验)进行改造，搭建了“Exp6_ReplacePX4AttitudeCtrler.slx”模型，如下：
    注：在本实验开发完成后，请务必将修改的代码归回原位，以免影响其他功能的开发。

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