4.1 软硬件配置
本讲的例程源码路径：RflySimAPIs\OtherVehicleTypes 本讲PPT公益课视频地址为：B站：https://www.bilibili.com/video/BV1pi4y1m7Ps 注意：本小节例子推荐使用PX4的官方固件，任意版本都可以，这里选择了最新固件
4.1.1 Pixhawk固件还原（需联网）方法如下：
- 打开QGC地面站软件，断开Pixhawk；
- 如下图所示，点击工具栏齿轮图标进入载具设置页面，再点击“Firmware”（固件）标签进入固件烧录页面；
- 用USB线连接Pixhawk自驾仪到电脑，此时软件会自动识别 Pixhawk硬件，如右图所示所示，在界面右侧弹出固件配置窗口，勾选第一项“PX4 *”，然后点击“确定”，QGC开始自动下载（需联网，无法联网请参考下一页使用本地固件）并安装最新的 PX4 固件到Pixhawk中；
注意1：本小节例子需要使用PX4的官方固件，任意版本均可，这里选择了最新固件 注意2：如果手头没有Pixhawk自驾仪硬件，可以跳过飞控硬件配置内容，直接进行软件在环仿真
4.1.2 Pixhawk硬件配置 — 离线固件下载（因网络无法在线下载固件时采用本方法）方法如下：
1）打开QGC地面站软件；
2）点击“Firmware”（固件）标签，此时用USB数据线连接Pixhawk自驾仪，地面站会自动检测自驾仪
3）勾选“advanced settings”（高级设置）选框；
4）点击“Standard Version (stable)”（标准版Stable）标签 – “Custom firmware file …”（自定义固件文件…）选项，再点“确定”；
5）在弹出的文件选择页面中，如果使用Pixhawk1飞控选择“RflySimAPIs\FlightControlExpCourse\code\e0\4.PX4Firmwares\px4fmu-v3_default1.10.1Stable.px4”，（如果使用Pixhawk 4，选择fmu-v5的固件；Pixhawk 6c，选择fmu-v6c的固件;Pixhawk 6x，选择fmu-v6x的固件）
具体如下图所示：
注意：如果文件夹中没有需要版本固件，请访问https://github.com/PX4/Firmware/releases 下载
4.1.3 安装Visual Studio 2017 (也可以用其他版本，MATLAB能识别即可)
- 后续课程很多地方都需要用到Visual Studio编译器，例如MATLAB
- S-Function Builder模块的使用、Simulink自动生成C/C++模型代码等
- 这里推荐安装Visual Studio 2017，在线安装步骤（需联网）如下：
- 双击“RflySimAPIs\SimulinkControlAPI\VS2017Installer\vs_community2017.exe”
- 本课程内容只需勾选右图的“C++的桌面开发”即可。
- 注意：如果后续要用于UE4C++开发，还可以在右侧“摘要”里面勾选一个最新的Window 10 SDK；再点击“单个组件”标签页，勾选NET 4.7.2（最新版即可）和对应pack包。再点安装。
注：本小节较多例子都需要使 用VS编译器，推荐提前安装
4.1.4 为MATLAB正确配置C++编译器
- 在MATLAB的命令行窗口中输入指令“mex -setup”
- 一般来说会自动识别并安装上VS 2017编译器，如右图所示显示“MEX配置使用MicrosoftVisual C++ 2017”以进行编译”说明安装正确
- 若有其他编译器，本页面还可以切换选择VS 2013/2015等其他编译器
4.1.5 平台支持的软/硬件在环仿真机型
- RflySim平台支持任意PX4可控机型的软硬件在环仿真
- 所有支持机型可从QGC中查看，如下图所示
- 目前RflySim平台包含了旋翼类、固定翼类的模型，其他模型需要用户Simulink搭建
4.1.6 软/硬件在环仿真设置步骤
- 硬件在环仿真流程：CopterSim配置模型参数或Simulink导入DLL模型 ——QGC配置Pixhawk进入对应的机架 ——QGC配置进入硬件在环仿真模式——CopterSim开始仿真
- 软件在环仿真流程： CopterSim配置模型参数或Simulink导入飞机模型 ——PX4源码中配置机架文件 ——bat启动脚本中选定机架样式 ——一键启动软件在环
– PX4源码中配置文件拷贝流程：“Firmware\ROMFS\px4fmu_common\init.d\airframes”文件夹中拷贝需要机型文件到“Firmware\ROMFS\px4fmu_common\init.d-posix”，例如六旋翼X布局“6001_hexa_x”和固定翼“2100_standard_plane”。
– bat启动脚本修改：
拷贝一份SITLRun.bat文件，修改机型PX4SitlFrame为配置文件的非数字部分，例如六旋翼为“set PX4SitlFrame=hexa_x”，固定翼为“setPX4SitlFrame=standard_plane”，其他机型类似。
– 选择专用地形：
推荐使用OldFactory地形，带平地跑道，适合固定翼起飞。三个地方需要修改：选择场地“SET /a UE4_MAP=OldFactory”，X坐标“SET /a ORIGIN_POS_X=-250”，以及Y坐标“SET /a ORIGIN_POS_Y=-119”即可初始到跑道上
4.1.7 建模模板例程文件夹介绍
- 进入RflySimAPIs\OtherVehicleTypes\DLLModelTemp可以看到无人机建模模版例程
- 其中Exp1_MinModelTemp.slx是最小系统的模版，包含了最低要求的输出和输出接口
- Exp2_MaxModelTemp.slx是最大系统的模版，包含了更丰富的附加功能
- GenerateModelDLLFile.p是将slx模型转化为DLL模型文件的脚本
- Init.m包含了模型的参数信息本脚本会在slx启动是被调用 将参数载入MATLAB空间
- **.bat是平台的一键启动脚本包含了自动拷贝DLL文件到 CopterSim目录，以及设定飞控机架等配置信息
- MavLinkStruct包含数据结构体
4.1.8 最小模型模版—输入信号
- 打开Exp1_MinModelTemp.slx文件，可以看到以多旋翼为例的最小模型模版
- 它包含了1个输入接口inPWMs，16维执行器控制量输入，已归一化到-1到1尺度，它的数据来自飞控回传的电机控制MAVLink消息mavlink_hil_actuator_controls_t的controls
- 本数据结构体的具体定义如下
typedef struct __mavlink_hil_actuator_controls_t {
uint64_t time_usec; //时间戳，从开机后的时间，单位ms
uint64_t flags; //标志位，用于显示当前的飞行状态
float controls[16]; //控制量，16维电机的控制量， 发送到模型中，驱动飞机飞行
uint8_t mode; //模型，用于显示飞机当前的飞行模式和是否上锁等信息
}) mavlink_hil_actuator_controls_t;
注意：免费体验版只支持前6维输入（后面数据全0），高级完整版支持全16维输入
注意：推荐不改变本模型模版，而是在其中修改模型参数（质量、转动惯量等）和执行器模块（转速动态响应）与作用力模型（驱动力、气动力、地面支撑和阻力等）两个模块来适配不同的载具的模型
4.1.9 最小模型模版—输出信号
- 包含了三个输出信号（bus结构体，在 MavLinkStruct.mat中定义），分别是 MavHILSensor、MavHILGPS、 MavVehile3DInfo。
- 其中，MavHILSensor是发送给飞控的各种传感器的数据集合，对应了MAVLink的 mavlink_hil_sensor_t消息，它的定义如右图。
- 本结构体包含了加速度传感器的加速度值、陀螺仪传感器的角速度值、磁罗盘传感器的磁场值，气压和空速传感器的气压值等。
- 这些传感器的值在仿真时由我们的模型提供,在真机飞行时由真实传感器芯片提供。
4.1.9 最小模型模版—输出信号
- MavHILGPS是模型发送给飞控的GPS数据值。
- 它对应了MAVLink消息的mavlink_hil_gps_t 结构体，具体的定义如右图。
- 本结构体包含了，经纬高、水平竖直精度、地速、北东地的速度、偏航角、定位状态和卫星数量等数据。
- 这些传感器的值在仿真时由我们的模型提供,在真机飞行时由真实GPS模块提供。
- 注：GPS数据的发送频率与真实传感器硬件基本相同为10Hz，因此飞控的实时位置并不能靠GPS直接提供，需要与IMU等传感器进行融合滤波估计得到。
4.1.9 最小模型模版—输出信号
- MavVehile3DInfo是DLL模型发送给RflySim3D的真实仿真数据（也会向30100端口发送，用于数据分析)，是平滑的理想值不像传感器和GPS模块会加上噪声和振动。
- 这些数据可用于Simulink下的飞控与模型进行软件仿真测试。由于模型真值在真机实验时是不可获取的，只能用PX4自驾仪的状态估计值（存在延迟、噪声和干扰），这就导致Simulink控制器往PX4在环仿真和真机实验时效果变差，需要进行调整。
4.1.10 最小模型模板—模型参数
- 打开“Init.m”即可看到模型数据，本最小系统包含了以下几个关键数据。
- ModelInit_PosE=[0,0,0]; %用于设置飞机的初始位置，对应了CopterSim上的X和Y初始值。
- ModelInit_AngEuler=[0,0,0]; %用与设定飞机的初始姿态。
- 注意：目前飞机姿态角的前两位（俯仰和滚转角）可以通过ModelInit_AngEuler 参数来配置，但是偏航角需要在Copter Sim中配置。
- 针对导弹等竖直起飞的飞行器，需要设定合适的俯仰和滚转值。
4.1.11 最小模型模版—实验步骤
- 打开“Exp1_MinModelTemp.slx”文件，点击编译（“Build Model”）按钮（需要先安装VS C++编译器）。注：MATLAB 2019b以后，在APPS - CODE GENERATION – Embedded Coder – C++ Code中可以看到编译按钮。
- 编译完成后，右键GenerateModelDLLFile.p并点击运行，就可以生成 “Exp1_MinModelTemp.dll”的DLL模型文件。
- 运行“Exp1_MinModelTemp.bat”脚本，可以自动打开软件在环仿真，并完成所有需要配置。
- 在QGC中可以如之前步骤一样，控制飞机的起飞、降落、航路飞行等。
- 注：由于本接口没有使用地形模块，地形高度始终为0，因此只能适用于平地场景不能使用Grassland等带地形的地图。
4.1.12 最大模版的使用—新增输入输出
- 打开“Exp2_MaxModelTemp.slx”文件，可以看到最大模版，相比最小模版多了四个输入TerrainZ（1维地形高度）、inSILInts和inSILFloats（8维整型和20维浮点，可通过30100端口从外部传入模型， 实现故障注入、外部传感器等功能）、inFloatsCollision（20维浮点结构体，接收来自RflySim3D的四面射线信息，用于实现碰撞引擎）。
- 多一个输出ExtToUE4PX4（32维浮点数，前16维发送给RflySim3D作为第9-24维执行器控制，后16维发送给PX4的uORB消息的rfly_ext，用于传输其他传感器或必要数据给飞控）。
注意：inFloatsCollision碰撞引擎输入和ExtToUE4PX4扩展输出仅限高级完整版
4.1.13 最大模版的使用—新增参数和功能
- 在“Exp2_MaxModelTemp.slx”例程中，利用TerrainZ实现了从CopterSim中读取当前地形高度数据， 使得飞机可以初始化在复杂地形的地表面（例如Grassland地图）。
- 利用 inSILInts 和inSILFloats实现了一个电机故障的例子，只需要从30100端口收到指定结构体数据，当两输入第1位都大于0.5时，就会触发电机随机故障，导致飞机坠机。
- 利用inFloatsCollision（限完整版）实现了一个简单地物理引擎，可以根据RflySim3D回传的四周距离数据，实现碰到障碍物的回弹，碰到其他飞机的坠毁等功能。
- 利用ExtToUE4PX4输出接口，本例程中实现了前8维发送了部分电机飞机的转速值（默认全0），9到16维 发送1到8的数字，用后16维数据发送了17到32的数字。
- 此外，最大模版还引入了几个扩展参数。
- ModelParam_GPSLatLong和ModelParam_envAltitude：配置飞机经纬高，本参数在RflySim3DNew的全球地图大场景（限完整版）中需要，能任意指定飞机在地球三维场景中的坐标。通过本参数可以直接调整飞机在QGC中的显示坐标（适用全版本）。
- ModelInit_Inputs：执行器的初始参数（见inPWMs后的memory模块），对固定翼和小车需要，因为它的油门在初始状态处于最小值（-1），而不是默认的0值。
- ModelInParams：可通过外部消息动态改变的32维参数向量（限完整版），在故障注入或者可变形的异构飞行器上有用，也可动态地调整传感器模型噪声等；与inSILInts和inSILFloats形成功能互补。
注意：附加的输入、输出和参数不需要全部加上， 只需要在使用本功能时加入模型即可，但是务必保证名称、维度和数据格式一致。
4.1.14 最大模版的使用—实验验证
- 编译Exp2_MaxModelTemp.slx，并生成DLL模型文件Exp2_MaxModelTemp.dll
1） TerrainZ的地形响应验证：直接运行“Exp2_MaxModelTempSITL.bat”可以看出飞机已经能初始化在街区地形表面，修改本脚本中UE4_MAP到其他地形，验证初始地形功能。
2） inFloatsCollision的物理引擎验证（限完整版）：运行上述***SITL.bat脚本，在QGC中控制飞机起飞，在RflySim3D中按下P键进入物理引擎模式，在QGC中设定飞机目标位置， 让飞机朝向建筑物飞，可以看到飞机不再穿越障碍物，而是会被弹回或停留物体表面，同时装到物体时RflySim3D也会打印碰撞物体信息。
4.1.14 最大模版的使用—实验验证
3）inSILInts 和inSILFloats 故障注入功能验证：运行上述***SITL.bat脚本，让飞机起飞在空中，然后用MATLAB打开RflySimAPIs\OtherVehicleTypes\ExternalCtrlAPI\PX4ExtMsgSender.slx并运行， 然后点击切换FaultSwitch开关，可以发送一个inSILInts和inSILFloats 首位数都是1的信号，触发电机故障，可以在RflySim3D中看到飞机坠机。
- 同时从CopterSim中看到数据接收和飞机状态。
4.1.14 最大模版的使用—实验验证
4）ExtToUE4PX4输出接口验证（限完整版）：
•打开RflySimAPIs\OtherVehicleTypes\ExternalCtrlAPI\PX4ExtMsgReceiver.slx，按照本课程第2讲的内容，进行代码编译并上传到Pixhawk飞控中，然后运行DLLModelTemp\ Exp2_MaxModelTempHITL.bat脚本，连上烧录自定义固件的Pixhawk飞控，实现硬件在环仿真。
•在RflySim3D中按下D键，可以看到ExtToUE4PX4的前16维输出，已经传输到RflySim3D中，并显示为扩充输出“Extend output”的值，用于执行器偏转/旋转显示。
•在QGC中，打开MAVLink Inspector的ACTUATOR_CONTROL_TARGET消息，可以看ExtToUE4PX4的后16维数据，说明已成功传入飞控。注：也可运行PX4ExtMsgSender.slx，从其中的40100系列端口查看本数据，详情见第二讲教程。
4.1.14 最大模版的使用—实验验证
5）ModelInParams动态修改参数验证（限完整版）：
- 打开Exp2_MaxModelTemp.slx ，可以看到inPWMs电机信号乘以一个MotorFault增益（2-ModelInParams(3)）才输入到电机模型中；程序原理是：若参数ModelInParams(3) \=1则电机正常输出，若ModelInParams(3) \=2则电机输出全0。
- 打开Init.m文件，可以看到初始化了一个32维的全零向量ModelInParams=zeros(32,1)，再设置了第3维取值1，即初始时电机正常输出。
- 注：ModelInParams的维度必须为32维，不然DLL模型无法生成。
- 注：在模型中可以用ModelInParams(3)、 ModelInParams(4:6)等表达式来获取一维标量或三维向量。
4.1.14 最大模版的使用—实验验证
5）ModelInParams动态修改参数验证（限完整版）：
- 打开ExternalCtrlAPI\PX4ExtMsgReceiver.slx，可以看到右图所示SendToPX4ModelInParams模块，它发送 Bitmask（一维int型，32bit，某一位bit为1就更新对应的InParams参数）和一个InParams（32维double型向量，会改变DLL模型ModelInParams参数的值）。
- 例如，我想改变DLL模型第三位参数ModelInParams(3) 需要设置Bitmask为00..0100（对应C++移位运算：1<<2， 或MATLAB移位运算bitshift(1,2) ），将第三位参数改为2，就能实现电机输出全零（见前一页PPT定义），飞机应该直接降落。
- 注：本消息应该发送到30100系列端口（对多机就是30100+(i-1)*2号端口）。
5）ModelInParams动态修改参数验证（限完整版）：
- 运行Exp2_MaxModelTempSITL.bat脚本开启一个飞机的软件仿真，然后在QGC中控制飞机起飞。
- 在Simulink中运行PX4ExtMsgSender.slx程序，可以看 到CopterSim提示收到PX4ModelInParams消息。
- 将ParamSwitch开关置于1的位置，即可将Bitmask变为1<<2，InParams(3)变为2，并发送CopterSim再转发（限完整版）到DLL模型的ModelInParams参数中。
- 此时，可以看到所有电机停转，飞机自由落体到地面上， 这说明模型的电机输入信号全变为了0，测试成功。
- 注：本例子也可以作为一个典型的通过动态改变DLL模型参数来注入故障的例子，对于一些带参数的Simulink模块的故障注入非常实用。本接口也可以用于动态改变模型的构型、质量等，使的仿真模型更灵活。
