2.2 基础实验

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2.2.1 实验一： LED灯闪烁实验

1. 打开LED例程

  • 用MATLAB打开例程文件RflySimAPIs\FlightControlExpCourse\demos\1.RC-LED-Ctrl\px4demo_input_rc.slx，可以看到如下图的获取遥控器CH3-CH4通道信号，并生成LED灯控制指令的代码（具体原理请学习基础版课程）。

2. 编译与代码生成

  • 在Simulink工具栏点击Build“编译” 按钮即可开始Simulink中设计模块与PX4固件的编译；再点击“诊断”按钮，可以观察到编译的详细过程。

3. 代码生成过程与结果

  • 编译过程如下图，当代码生成完毕时，会弹出右下侧窗口，可以查看报告。这里生成的px4固件在PX4PSP\Firmware\\build\px4_fmu-v5_default\px4_fmu-v5_default.px4

4. 固件自动上传

  • 用USB线连接计算机和Pixhawk的MicroUSB口。对于MATLAB 2017b~2019a，在Simulink的Code下拉菜单中点击“PX4 PSP: Upload code to Px4FMU”选项；对于MATLAB 2019b及更高版本，在MATLAB主界面的“命令行窗口”输入“PX4Upload”命令来开始自动固件上传。注：如果自动上传方法失效，请用QGC手动将上一步生成的px4文件烧录到Pixhawk中。

5. 观察效果

默认状态下，即不操作遥控器时，LED灯是蓝色慢闪状态。拨动左手的油门杆可以观察到如下效果：

  • 油门杆置于右上角：蓝灯快闪；油门杆左上角：红灯快闪；油门杆左下角：红灯慢闪；油门杆右下角：蓝灯慢闪。


2.2.2 实验二：姿态控制器设计实验

1. 打开例程

  • 用MATLAB打开例程文件RflySimAPIs\FlightControlExpCourse\demos\2.Attitude-Ctrl\Exp4_AttitudeSystemCodeGen_old.slx，可以看到如下图的获取遥控器CH1-CH4通道信号，订阅姿态和姿态角信息，并生成执行器和LED灯控制指令的姿态控制器代码（具体原理请学习基础版课程）。

    注意：这里发送的是uORB消息actuator_outputs而不是真实电机指令，是硬件在环仿真HITLRun的专用输出口。 如果要将代码用于真机控制请使用同文件夹下的例程文件Exp5_ AttitudeSystemCodeGenRealFlight_old.slx。需要将输出换成PWM_output模块，来直接控制电机PWM值。

2. 实验步骤与结果

  • 在Simulink中用上一实验相同步骤进行固件编译与上传
  • 正确连接电脑、Pixhawk、接收机与遥控器，确认配置正确。
  • 运行桌面的HITLRun快捷方式，并输入飞控的串口号，开启硬件在环仿真

  • 将遥控器CH5拨杆开关拨到最下（最靠近操作者的位置）就可以解锁控制器（Simulink控制器中编程实现的，注意这里不需要使用PX4的右下三秒解锁规则），同时观察到LED等变为红灯闪烁。
  • 推动油门杆可以看到飞机起飞，然后用遥控器操控飞机进行适当飞行。
  • 由于例程中控制器非常简单，飞行效果没有之前测试PX4官方固件时平稳，这也说明我们的控制器已经发挥作用。

2.2.3 实验三：log数据记录

  1. 用MATLAB打开例程文件RflySimAPIs\FlightControl ExpCourse\demos\3.Log-Write-Read\px4demo_log.slx
  2. 本例程使用了binary_logger模块，设定了记录20s（程序步长250Hz，因此有5000个数据点）的四维随机数据，数据存储位置/fs/microsd/log/pixhawk。
  3. 按前面实验相同步骤，将slx编译并上传Pixhawk
  4. 飞控重启后等待20s以上，断电，拔出内存卡，将其插入电脑，可以在log文件夹看到Pixhawk_A.bin的日志文件（_A.bin后缀是系统自动加的）
  5. 将Pixhawk_A.bin拷贝到slx的目录下来，运行如下指令即可得到四维5000个点的数据。
    [datapts, numpts]=px4_read_binary_file(‘pixhawk_A.bin’)
  6. 再用MATLAB进行数据处理即可。

    更多的RflySim平台数据记录和分析方法见此处

2.2.4 实验四：uORB读写通信

  1. PX4的uORB消息系统是提供了非常强大且方便的内部模块间数据交互能力，所有模块都可以将数据放在消息池中，其他模块可以从消息池订阅到所需数据。
  2. 用MATLAB打开RflySimAPIs\FlightControlExpCourse\demos\4.uORB-Read-Write\ px4demo_uORB_read_write.slx例程文件，可以看到用uORB订阅和发布了一些消息。
  3. uORB模块的使用方法，请参考基础版教程；本例程主要展示了，可以发布和订阅一些消息ID与消息文件名不符的情况，例如actuator_controls.msg的消息文件，可以读取或发送消息ID为actuator_controls_***的消息。

2.2.5 实验五：自定义uORB消息

  • PX4中如果要发布uORB消息，需要在PX4PSP\Firmware\msg文件夹中新建.msg后缀的消息文件，并需要在CMakeLists.txt中添加消息名字。RflySim平台提供了一个自动化的脚本PX4uORBMsgGen.m来实现上述注册过程。
  • 在目标slx文件的同级目录新建一个子文件夹（例如，msg），在其中新建多个.msg格式的消息文件，并将PX4uORBMsgGen.m置于此文件夹，完成下面的配置之后，启动相应.slx文件时就会自动搜索所有msg并配置。
  • 新建一个init_control，并在slx的File-Model Properties-Callbacks（MATLAB 2019b以上的版本在MODELING-Model Settings-Model Properties-Callbacks）中添加打开slx文件时自动调用init_control脚本。
  • 在init_control.m加入如下代码，来调用PX4uORBMsgGen addpath('.\msg')将子目录添加到路径方便脚本调用 PX4uORBMsgGen执行脚本PX4uORBMsgGen.m
  • 经过上述步骤，可以实现打开slx底层控制器文件时自动运行PX4uORBMsgGen脚本，它会自动搜索本目录下的所有.msg格式的uORB消息，并自动注册到Firmware/msg路径中。
    • 例如，这里在msg目录下新建名为rfly_test.msg的消息文件，内容为uint64 timestamp和float32[8] control。注意：其中timestamp变量是每条消息都必须保留的，其他变量根据自己需求添加，请参考Firmware\msg下其他消息。可自行新建其他msg消息文件。
    • 用MATLAB打开RflySimAPIs\\FlightControlExpCourse\ demos\5.uORB-Create\px4demo_ uORB_create.slx文件，点击编译代码，并将固件上传烧录Pixhawk飞控。
    • 本例程将数字1到8发送给了刚才新建的rfly_test消息，这里使用了uORB发送模块。
    • 打开QGC连上Pixhawk，在MAVLink Console中输入listener rfly_test即可检测到我们的程序输出的rfly_test消息，可以看到数据与预设的一致。

2.2.6 实验六：回传提示消息

  • 在飞控中，我们时常需要向外发布一些文字消息，来反映系统当前的运行状态，这个功能可以通过发送mavlink_log的uORB消息来实现。
  • 打开RflySimAPIs\FlightControlExpCourse\demos\6.Mavlink -Msg-Echo\px4demo_mavlink_rc.slx例程文件，编译并上传到Pixhawk中。
  • 运行桌面的HITLRun快捷方式，输入飞控串口号，开始硬件在环仿真。
  • 此时，可以在CopterSim的左下消息栏和QGC的消息栏接收到发送的文本信息，横向拨动遥控器油门杆，可以返回的信息变化。

2.2.7 实验七：PX4控制器的外部通信

  • 在进行硬件在环仿真时，我们常常需要向设计的Simulink控制器中发送数据（传感器数据、故障触发、控制指令、参数调整等），同时接收一些感兴趣的数据。

  • RflySim平台的Simulink控制器设计功能，提供了rfly_ctrl这一uORB消息来接收外部数据（UDP发送指定结构体到CopterSim的30100系列端口），同时提供rfly_px4这一uORB消息来向外发送数据（向40100系列端口发送特定数据。）


    注：本例子作为外界与Simulink控制值器的桥梁，能够大大提高控制器开发和参数调整的效率。 注：也可以手动修改Firmware的源码，将感兴趣的数据发送到rfly_px4，同时在需要的地方接收rlfy_ctrl的uORB消息，实现PX4原生控制器的通信。

  • 打开RflySimAPIs\FlightControlExpCourse\demos\7.PX4CtrlExternalTune\PX4ExtMsgReceiver.slx，编译并烧录到Pixhawk中。本例程以外部发送的rfly_ctrl数据来作为遥控器输入，同时会将收到的数据向rfly_px4发送出去，回传给外部程序。

  • 运行HITLRun，输入飞控串口号，开启硬件在环仿真。
  • 用Simulink运行PX4ExtMsgSender.slx程序，它的接收和发送的数据如图。在右下角拨动CH3（模拟油门杆）可以实现飞机起飞。
  • 在PX4ExtMsgReceiver.slx中定义了左侧rfly_px4的数据与rfly_ctrl数据相同，实验结果与此一致。
  • 在QGC的MAVLink Inspector也可以通过ACTUATOR_CONTROL_TARGET观察到rfly_px4的值。

2.2.8 实验八：QGC实时调整控制器参数

  • 在进行硬件在环仿真和真机实验时，常常需要在QGC地面站中观察飞行状态，并对控制器参数进行实时调整，以使得飞机达到最佳的控制效果。
  • 这里提供一个例程，见RflySimAPIs\FlightControlExpCourse\demos\8.QGC-Param-Tune文件夹
  • 新建一条自定义的参数总共需要四步 操作：
    1. 在slx文件所在目录，建一个px4_simulink_app_params.c的空白文件，并填写参数信息（包括注释），例如下图所示例程，使用PARAM_DEFINE_FLOAT定义浮点数参数名和默认值，用PARAM_DEFINE_INT32定义整型数据，并在注释中定义参数最小、最大、精度和增长量。在本例中，我们定义了SL_RFLY_FLT和PARAM_DEFINE_INT32两个参数。
    2. 在MATLAB工作空间中，调用Pixhawk_CSC.Parameter函数来注册参数。这里我们通过init_control.m来在slx打开时自动注册两参数。
    3. 在Simulink中增加了一个Parameter Update Module实现定义参数的自动更新，双击本模块，点Auto-populate List ***，来确认参数正确导入。注：这里可以打开PX4QGCTune.slx来进行测试。
    4. 然后就可以在Simulink中直接调用新建的参数，进行控制器的设计，参数可以用于常数模块、积分模块、比例模块等需要配置参数的地方，在使用时需要注意参数类型的转换（浮点数还是整型）。注：在本例中，我们使用SL_RFLY_FLT和PARAM_DEFINE_INT32来发送rfly_px4的uORB消息。
  • 打开RflySimAPIs\FlightControlExpCourse\demos\8.QGC-Param-Tune\PX4QGCTune.slx文件，编译并上传到Pixhawk中。
  • 连接Pixhawk到电脑，并打开QGC地面站，等待与Pixhawk建立连接。
  • 在QGC的设置-参数-Other-Misc中可以看到刚才新建的两条消息（如果没找到自己的消息，可以用搜索框搜索），然后手动修改两个参数的值。
  • 去QGC的MAVLink Inspector中查看ACTUATOR_CONTROL_TARGET消息（接收来自rfly_px4的数据），查看两个参数的值，是否为刚才修改的值。

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