四旋翼飞行器控制算法远程教学实验平台设计

范云生，陈欣宇，赵永生，慕东东，柳丽川

（大连海事大学船舶电气工程学院；
辽宁省智能船舶技术与系统重点实验室，辽宁大连 116026）

四旋翼飞行器为代表的无人机取得了突破性的成果，在农药喷洒、地形探测、电力巡检、环境检测、目标追踪、灾后救援、货物运输等［1-3］领域均有大量需求。因此，越来越多的科研人员投身于四旋翼飞行器的基础理论和工程应用的研究工作，相应，各大高校也纷纷开设相关课程［4］。四旋翼飞行器飞行控制作为新兴的授课重点，课堂讲授大多以理论为主，但缺乏实物操作，实验室硬件也不可能完全做到及时更新。四旋翼飞行器飞行控制算法教学是一门综合了多方面内容的课程，包含了数学建模、运动控制、航迹规划、优化算法和可视化编程技术等［5］。传统四旋翼飞行器的教学存在飞行器的理论学习和实际操作分开进行，飞行器的操作事故、高成本等问题导致实验资源缺乏，实验与课程内容无法相匹配而不能满足理论验证的要求。仅靠理论学习不能使学生充分掌握飞行器控制算法，对控制效果的验证也不够直观［6］。由于四旋翼飞行器造价昂贵，操作飞行具有一定的危险性。因此，四旋翼飞行器仿真平台的研究受到国内外广大研究人员的关注［7］。康考迪亚大学首先提出利用Qball-X4 四旋翼飞行器为平台为本科生及研究生开设了飞行控制系统和故障诊断与容错控制系统课程［8］。Ai-Omari 等［9］提出了一种为室内四旋翼应用开发集成了控制器子系统和室内互动环境子系统的仿真平台。微软研究院利用计算和图形学的最新发展技术来模拟物理和感知，从而使环境真实地反映实际世界［10］。国内西北工业大学利用飞控计算机硬件和Matlab xPC Target模块软件结合，设计了半实物的仿真系统，提供了可行的无人机飞控开发平台［11］。浙江工业大学通过ROS 集成的可视化功能建立了开放性的无人机仿真实验教学平台，学生可在使用该平台的过程中学习到无人机的运动控制、航迹规划和可视化编程等技术［12］。南京航空航天大学设计了相应的硬件系统和软件平台，开发了基于旋翼式无人机的导航实验教学开发平台，为相关专业提供了综合的实验环境［13］。

然而，目前大多的四旋翼教学实验平台仍存在一定的缺陷：对四旋翼飞行器的仿真较为简单、片面，不能完全体现四旋翼飞行器复杂多变的实际控制情况；
实验平台功能比较单一，不能体现四旋翼飞行器在各领域的综合应用；
实验平台所设置的实验不够灵活，使用人员只需按实验步骤即可完成实验，不能提高自己的创新能力；
只针对个体部分，面向的学生和人数受空间和时间的约束，不适合大规模普及；
实验平台需线下使用，难以应对学生异地在线学习的需求。

鉴于当前四旋翼实验平台存在的缺陷，同时为适应时代科技的发展与科学研究的需求［14］，本文设计并开发了面向四旋翼飞行器控制算法验证的开放式远程实验平台。该平台采用了多媒体、人机交互、数据库和网络通讯等技术，构建高度逼真的四旋翼飞行器建模、控制算法推导分析、实际飞行实验等全过程，可实现远程、多端、共享的虚拟实验教学。通过对四旋翼飞行器的仿真模型和实物设计轨迹跟踪控制实验对实验平台进行验证。对比飞行器的仿真实验结果和实物实验结果，验证平台仿真实验功能的可靠性及真实性；
通过实验结果证明设计的积分型反步法控制器的有效性。

1.1 硬件介绍

本文实验采用的硬件：①Quanser 公司的QBall2四旋翼飞行器，带有4 个电机，装配着10 in大小的桨叶，整体由碳纤维杆构造的球形保护笼保护着的四旋翼飞行器，包含航空电子设备数据采集卡以及HiQ DAQ嵌入式微处理器来测量机载传感器和驱动电机，可开发更广泛的研究；
②OPtiTrack公司的Flex 3 动作捕捉相机，有效覆盖空间为1.5 m×1.5 m×1 m；
③联想公司的ThinkCentre M8500t-D231 计算机，安装了Matlab2014a仿真软件。

控制算法验证实验平台以室内定位QBall2 为研究实验对象，定位采用Flex 3 动作捕捉相机。平台结构组成如图1 所示。

图1 教学平台结构组成

（1）四旋翼飞行器QBall2 模型。图2 为QBall2飞行器的实物，定义地面坐标系（x，y，z）和机体坐标系（x"，y"，z"），图3 为飞行器在建立的空间坐标系内的模型定义。在惯性坐标系下，四旋翼无人飞行器的运动形态如图所示，同时给出该飞行器的空间姿态角（欧拉角）及其正向定义，其中飞行器绕x"轴向右转动为横滚角φ 的正向；
飞行器绕y"轴向下转动为俯仰角θ的正向；
飞行器绕z"轴向左转动为偏航角Ψ的正向。

图2 QBall2飞行坐标系

图3 空间坐标系内模型定义

（2）动作捕捉定位系统。图4 为Flex 3 动作捕捉相机，可将影像捕捉、数据处理和动作追踪集成于一体，能够以每秒100 帧的速度捕捉快速移动的物体。它拥有先进的运动数据处理算法，分辨率最大可达640 ×480 VGA，同时也可以追踪次毫米级标记点的运动，且具重复精度。该摄像机的组件标准且价格较低，同时支持扩展开发，在红外光追踪定位系统中处于领先地位。

图4 Flex3动作捕捉相机

1.2 软件介绍

实时控制软件采用Quanser 公司的QUARC，满足本文平台快速、实时控制的使用要求。QUARC可直接安装到Simulink中，在不同的仿真目标下，Simulink 模块程序都可实时运行。该插件拥有开放式结构的硬件设备，并包含广泛的Simulink 模块，利于用户对其开发。在本平台飞行器运行时，QUARC可针对飞行器上安装的嵌入式的微处理器，自动生成代码。在平台使用期间，微处理器处理设计的控制器，用户也可以根据传感器测量得到的值实时地在电脑端修改控制器的参数以达到最佳的控制效果。

1.3 实验平台功能设计

本文设计的四旋翼飞行器控制算法远程实验平台主要功能包括飞行控制原理和数学建模、定点悬停实验和轨迹跟踪控制实验，其具体内容见图5 所示。

图5 实验平台功能设计

（1）四旋翼飞行器飞行控制原理和数学建模。通过QBall2 了解飞行器的组成部分，更深入地理解飞行器的飞行控制原理，学习飞行器是如何通过4 个电机带动旋翼的旋转产生不同的升力来改变自身的姿态，姿态的改变进而使其自身产生相应的位置变化得到飞行器垂直方向的升降、前后方向的前进后退、左右方向的左移右移和偏航几种基本运动。根据飞控原理充分了解飞行器在各种飞行状态下的动力学特性，同时为使得到的非线性数学模型更加符合实际，需对其进行简化或增加条件。

（2）四旋翼飞行器平台环境描述。本文实验平台利用QBall2 四旋翼无人飞行器，并结合Flex 3 动作捕捉相机定位系统搭建的四旋翼飞行器实验平台环境如图6 所示。其中：图6（a）为由6 个Flex 3 动作捕捉虚拟摄像机组成的定位装置；
图6（b）为装有MATLAB／Simulink的电脑端控制平台及用于传输数据的无线路由器；
图6（c）为QBall2 飞行器；
图6（d）为实际实验中的平台效果展示图。

图6 四旋翼飞行器实验平台环境

实验时需在QBall2 飞行器上安装动作捕捉标志点，利用OptiTrack摄像头识别标志点来确认飞行器在室内的位置信息，通过QUARC 将仿真程序编译下载到飞行器控制器。同时，利用无线路由器传输电脑端的控制指令和封装模块读取到的摄像头识别飞行器的位置信息，并将QBall2 飞行器上的传感器检测到的姿态等信息传输回电脑端，实现实验平台对QBall2 飞行器的实时监控和实时控制［15］。

（3）四旋翼飞行器定点悬停实验。四旋翼飞行器定点悬停是室内定位QBall2 飞行器一项不可缺少需要掌握的操作，需要选定具体的定点位置信息、推导控制算法的控制律、设置飞行参数，并分析飞行器参数、传感器参数等数据，实现高精度的定点悬停，对不同的控制算法进行比较，理解参数的实际含义，掌握四旋翼飞行器定点悬停操作过程。

（4）四旋翼飞行器轨迹跟踪控制实验。四旋翼飞行器轨迹跟踪控制（姿态控制和位置控制）是飞行器多种应用的关键技术之一。该任务多变量、强耦合的特性加大了控制系统的设计难度，主要为：①根据四旋翼飞行器硬件参数建立其带性能约束的动力学模型；
②根据任务需求设计非线性的飞行器姿态环及位置环控制器，并证明控制律的稳定性；
③对设计控制器的参数进行调整，实现飞行器高精度的轨迹跟踪控制。

以四旋翼飞行器轨迹跟踪控制研究为例，训练学生使用平台、设计控制算法等的能力。

2.1 实验目的

平台实验的四旋翼飞行器轨迹跟踪控制是室内定位QBall2 飞行器必须掌握的操作，其目的：在仿真平台上学习飞行器的基础知识及飞行原理等，并掌握其控制原理，学习积分型反步法控制器的设计与应用；
通过半实物飞行操作实验平台及时的反馈飞行的状况，让学生能够直观地感受操作，并观看其实际的飞行过程。

2.2 仿真实验过程

针对四旋翼飞行器非线性、欠驱动、强耦合的特点，设计了图7 所示的控制方案。给出飞行器的期望位置，由位置控制器得到期望姿态角，再由姿态控制器得到动力学模型输入量，最后输出飞行器的位置、姿态信息并反馈到控制器中，实现双闭环控制。

图7 轨迹跟踪控制框图

四旋翼飞行器仿真实验过程：①利用MATLAB／Simulink中的S函数模块及QBall2 飞行器的硬件相关参数搭建带性能约束的动力学仿真模型；
②根据控制算法推导飞行器位置及姿态的控制律，并在仿真中应用；
③给出飞行器期望位置，对整体仿真程序进行参数调试。

2.3 实物实验过程

四旋翼飞行器实物实验过程：①将QBall2 飞行器、Flex3 动作捕捉相机和QUARC 软件通过无线路由建立通讯联系；
②将飞行器放置提前校正好的起始点，打开飞行器总开关，然后将推导的算法控制律添加在原始程序，修改原始程序，并将飞行器的跟踪轨迹写入程序，通过下载程序到飞行器中，启动飞行器，飞行器按照预先设置好的轨迹路线，进行轨迹跟踪飞行，并实时反馈当前的位置信息，实现高精度轨迹跟踪；
③当轨迹跟踪结束后，飞行器飞回起点，等待降落指令，一旦接收到降落信息，飞行器便开始着落。

2.4 实验结果

四旋翼飞行器的起始点为（0，0，0），期望轨迹由轨迹点组成：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）。考虑安全问题，在达到期望点0.15 m 内即认为达到目标。

图8、9 所示分别为四旋翼飞行器控制算法实验平台在进行轨迹跟踪实验下的仿真实验结果和实物实验结果图，分别表达了仿真和实物实验时在三维与平面图中的飞行轨迹图，同时给出了飞行器位置、姿态的跟踪结果。由图可知：①仿真结果和实物实验结果较贴合，证明设计的动力学仿真模型的可靠性与真实性；
②飞行器可以快速跟踪期望轨迹，最大位置误差为0.1 m且能在3 s 内收敛，可验证设计的积分型反步法控制器的有效性。因此可利用本文平台的仿真实验功能对控制算法进行设计，并利用实物实验功能对算法进行验证。

图8 仿真实验结果

图9 实物实验结果

本文研究与设计的四旋翼飞行器控制算法验证的远程实验教学平台，结合QBall2 四旋翼飞行器和QUARC软件，通过多媒体、人机交互、数据库和网络通信等技术，实现了远程、多端、共享的教学实验平台，在满足了教学需要的同时降低了危险和费用。同时以四旋翼飞行器轨迹跟踪控制实验为例，分别设计并开展了仿真实验及实物实验，实验结果表明：①设计实验平台的仿真实验具有一定的可靠性与真实性，可以有效应用于控制算法的设计；
②设计实验平台的实物实验可在仿真实验的基础上顺利完成，可以有效应用于控制算法的验证；
③设计的姿态内环、位置外环的双闭环积分型反步法控制器可以有效应用于四旋翼飞行器，实现低误差、小超调的轨迹跟踪控制；
④设计的四旋翼飞行器控制算法实验平台可以将理论与实践相结合，大大提升了教学质量，让学生在实践中提高自身的科研能力。

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