飞行器控制设计与应用实验室建设方案-青岛德俊电子工程有限公司

总体方案设计

方案介绍

无人机包含多种类型，如固定翼无人机、多旋翼无人机、复合翼无人机等，共有的组成部分包含：飞控系统、传感器系统、动力系统、通信系统、导航系统、任务载荷、机体结构等。其中飞控系统是无人机的“大脑”，负责处理飞行数据、控制无人机的姿态和航线，通常包括传感器、飞控计算机、执行机构等部分。本实验室聚焦于无人机核心飞行控制器的设计与应用方向，通过本实验室的实验教学，使学生掌握无人机机架布局、动力系统的设计对于飞行性能的影响，无人机模型构建，软硬件在环仿真，无人机导航与测控，多种传感器参数标定与应用，飞控系统的整体设计与实飞。

实验室建议面积 100 ㎡-120 ㎡，可支撑 40 名学生的日常教学。主要包含飞思飞控仿真平台、飞控系统硬件在环仿真套装、无人机模型设计模块—实飞套装及教学配套设备（室内防护场地、电池防爆箱、电池充电储存防爆柜、模型设计实验平台、防静电实验台、六边形桌椅等）。主要面向高职院校无人机应用、无人机测绘、飞行器数字化装配技术、飞行器数字化制造技术等专业，高职本科院校的无人机系统应用技术专业，本科院校的无人驾驶航空器系统工程、飞行器制造工程等专业、飞行器控制与信息工程专业。

无人机飞控系统开发仿真实验模块配备 20 套飞思飞控仿真平台、20 套飞控系统硬件在环仿真套装、10 套无人机模型设计模块—实飞套装、配套教学设备。

方案优势如下：

1、模块化飞控设计实验。以每个例程为载体单独设立实验任务，用户可直接选取对应课程适合的实验进行教学。

2、明确的教学流程。本方案采用软件在环仿真→硬件在环仿真→真机实飞测试的教学流程，可以同时满足班级内所有学生的教学，提高教学效率。

3、丰富的教学资料。除提供软硬件教学设施外，还提供丰富的课程内容，其中包含实验指导书、关键步骤演示视频、教学 PPT 等，用户可以直接进行教学。

4、多机型应用。本方案不仅包含多旋翼模态的飞控设计及应用，还包含固定翼的飞控设计，满足不同机型需求的用户进行实验。

方案设计

本实验室方案支持进行无人系统控制系统仿真开发相关的教学与科研，无人系统控制系统的设计仿真开发过程基于模型（MBD）的设计理念，以数学模型来模拟实际系统中的被控对象、执行机构等单元，在此基础上完成各模块核心算法功能的测试与验证。基于 PX4、MATLAB/Simulink 和 ROS 等软件系统以及相关智能硬件，可以开展无人系统建模、控制器设计、软件在环仿真、硬件在环仿真，通过MATLAB/Simulink 的自动代码生成技术，控制器能够被方便地自动下载到硬件中，用于 HIL 仿真和实际飞行测试，实现仿真到真机的无缝过渡（Sim2Real）。

图 4 飞控系统开发仿真流程

该方案具备以下技术优势：

（1）统一性。整个研究框架扩展到所有的无人控制系统，形成一个标准的自动开发、测试与评估框架体系。

图 5 无人控制系统框架

（2）无人机物理特性仿真还原度高。其开发者均为无人机研究团队，具有丰富的无人机领域研究经验；

（3）易用性。在 Windows 平台下进行一键安装、一键代码生成、一键固件部署、一键软硬件在环仿真和快速实飞, 非常方便易用。用户不需要了解飞控源码、Linux 编程、C/C++编程、网络通信、飞机组装等底层知识，只需具备基础的 Simulink（或 Python）知识，即可快速将自己的算法经过层层验证并应用于真机上，有助于更专注于算法的开发与测试。

（4）支持多种机型仿真。支持小车、固定翼、垂直起降飞行器（VTOL）等多种机型。用户可以在 Simulink 中根据规范的接口搭建机架模型，然后自动生成 DLL 文件用于 HIL 仿真。进一步实验平台能被拓展到任意无人系统中；

图 6 多种无人智能体

（5）提供高逼真的 3D 视景。提供源码和教程帮助开发者在 UE 中搭建高度逼真的 3D 场景，用于室内外环境仿真或者基于视觉算法的开发；场景支持物理碰撞引擎，全球地形和地图，OSGB+Cesium 倾斜摄影视景地图导入，自定义 GPS 坐标，任意多窗口切换观察，RGB、深度、灰度、IMU、激光雷达等传感器数据输出，支持共享内存或者 UDP 图片直发指定 IP 地址，可用于机载计算机硬件在环 SLAM 仿真。

图 7 多场景切换仿真

（6）支持多种故障注入，可实现的故障类型包括模型故障、通信故障和环境故障等。

图 8 故障注入框架图

主要产品介绍

飞控仿真平台飞控仿真平台是一套智能无人系统自动化设计与开发工具链，工具链提供无人系统底层控制系统仿真开发从算法开发、到硬件在环仿真、再到真机部署实验的全流程自动化解决方案。包含了众多在进行无人系统控制系统建模、仿真、算法验证等开发过程中所涉及到的软件，其中核心组件有 CopterSim、 QGroundControl、RflySim3D/RflySimUE5、Python38Env、Win10WSL子系统、 SITL/HITLRun 一键运行脚本、MATLAB 自动代码生成工具箱、Simulink 集群控制接口、PX4 Firmware 源码、配套资料文件以及配套硬件系统。

（1）飞控底层开发功能飞思飞控仿真平台采用基于模型设计（Model-Based Design，MBD）的思想，用于无人系统的控制和安全测试。包括建模阶段、控制器设计阶段、软件在环仿真阶段、硬件在环仿真阶段和实飞测试阶段。通过 MATLAB/Simulink 的自动代码生成技术，控制器能够被方便地自动下载到硬件中，用于 HIL 仿真和实际飞行测试。

图 9 基于模型设计框架

在 MATLAB/Simulink 中提供了无人机控制器设计的相关接口，用户可以快速进行控制器的设计与验证。在控制器设计完成后，本平台提供代码生成与下载功能，可以将设计的 Simulink 控制算法生成 C/C++代码，然后将其编译进入 PX4 自驾仪固件中，并自动下载到自驾仪中。本平台还提供硬件在环仿真测试功能，用户可以在真实 Pixhawk 自驾仪系统上对飞行效果进行初步模拟测试，排除实飞实验可能存在的各种问题。测试通过之后，将 Pixhawk 自驾仪装在一个无人机硬件系统上，就可以进行室内和室外的飞行实验，通过实验验证来评估设计控制算法的性能。

（2）无人载具系统统一建模框架无人载具系统统一建模框架将整个无人载具系统分解为两个部分：机身系统与控制系统。机身系统与控制系统之间进行着传感器数据与控制信号。无人载具系统统一建模框架可提供机身系统高精度建模，并且可在实时仿真计算机中实现，支持连接控制系统软件或硬件，构成软件在环仿真或硬件在环仿真闭环。机身系统又可以细分为四个子系统：机体子系统、执行器子系统、三维环境子系统和传感器子系统。

• 机体子系统包含了机身、运行环境、力与力矩等内部子系统模块，是对机体在环境的运动、能耗和故障特性的整体描述；

• 执行器子系统包含了飞行器与外界环境的相互作用，它接收来之控制系统的控制信号，然后产生的力与力矩来驱动机身运动；

• 传感器子系统主要用于描述控制软件之外的所有电子硬件模型，主要包含传感器数据、通信协议、连接接口等特性；

• 三维环境子系统主要用于描述无人飞行的三维视景环境（包括树木、障碍物、公路等），用于为自主控制系统提供视觉数据的模拟。

图 10 无人载具系统统一建模框架

建模框架可以在 Simulink 等可视化建模与仿真软件中快速实现，在整个仿真模型搭建完毕后，可以利用自动代码生成的方法生成不同实时仿真计算机环境下的仿真软件，并且通过替代其中特定的子系统模块可以快速扩展得到不同类型的载具模型。

（3）无人系统动力学建模功能飞思飞控仿真平台提供 Simulink 无人动力学建模模版，支持多种旋翼类型，便于模型开发与扩展；提供标准输入输出接口，可在 Simulink 中自行搭建任意构型无人模型；支持 Simulink 自动代码生成为 DLL 文件的形式导入到硬件在环仿真器中；动力系统组件数据库覆盖市面上 2000 款以上组件产品，支持从数据库中选择合适的电机、螺旋桨等组件组装不同构型多旋翼（三、四、六、八旋翼）并估算性能（悬停时间、最大拉力等）与模型参数（质量、转动惯量、螺旋桨拉力系数等），用于多旋翼动力学仿真。（4）无人系统仿真场景开发功能飞思飞控仿真平台基于 UE 实时三维渲染引擎开发了面向无人的实时视景软件 RflySim3D/RflySimUE5，它可以接收局域网内的所有飞机数据并集中实时显示在场景中，同时支持单独配置并获取到特定飞机的特定机载摄像头。也支持自行设计并导入三维场景和飞机模型，且操作简单。支持直接使用 UE4 场景库中的海量三维场景和飞机模型；同时支持用 3Ds Max 和 AutoCAD 等软件自行制作三维场景和飞机模型并导入 UE4。下图分别展示了平台目前自带的四旋翼室内飞行、小车街区行驶、六旋翼森林穿梭和固定翼山脉巡航的三维场景。

图 11 高逼真三维场景示例

飞控仿真平台具备典型场景搭建设计模块，能够自定义场景类型，提供典型场景模块设计 SDK ，对场景内的环境、设施及行人进行自定义。支持通过 UDP/ROS 动态改变场景地图、改变飞机三维样式、动态创建障碍物（其他飞机、跟踪靶标、人物、标定板、桌椅等）、动态改变飞机视角（位置、方向、焦距等）、改变三维引擎输出图像分辨率等。

飞控系统硬件在环仿真套装

飞控系统硬件在环仿真套装包含飞行控制板卡、遥控器、插接线等。

图 12 飞控系统硬件在环仿真套装

（1）飞行控制板卡飞行控制板块采用自研 racer 型号，该产品具有可靠性高、性能强、运行稳定等特点，集成三轴陀螺仪、三轴加速度计、气压计等传感器，支持 SD 卡飞行记录，开放源代码支持二次开发。支持四旋翼、固定翼、垂直直降无人机、无人车、无人船等多种无人平台，内部集成电源模块，可直接从电池供电，减少连线，大大的提高了飞行可靠性。

（2）遥控器

遥控器支持 10 通道遥控器，触屏显示，可以调节遥控器基本参数，如行程量、通道自定义、混控曲线等。

图 14 遥控器

无人机模型设计模块—实飞套装

无人机模型设计模块—实飞套装包含小型集群无人机、扩展套装、遥控器、飞行测试实验平台、飞腾 Ultra Power 充电器。

（1）小型集群无人机集群无人机采用 FS-J150 型号产品，该产品一体开模成型，机身小巧布局紧凑，可以用于室内室外的集群控制，飞机自带前视单目及激光光流模块，且搭载 3566 机载计算板卡。

图 15 FS-J150 型号集群无人机

（2）扩展套装：主要用于产品的调试、维修等方面，包含 USB HUB、micro HDMI 线、HDMI 线、typeC USB 线、转接头、45 合一改锥套装、SD 卡读卡器、BB 响、工具袋；

（3）遥控器：遥控器支持 10 通道遥控器，触屏显示，可以调节遥控器基本参数，如行程量、通道自定义、混控曲线等。

图 16 遥控器套装

（4）飞行测试实验平台：主要用于 150 整机控制，用于完成整机实验的飞控开发。尺寸：400mm*400mm*400mm（±10mm）无人机专用定制测试台架，桌面级，多自由度框架结构支撑。

（5）飞腾 Ultra Power ：支持高压电池充电。

实验设备辅材

实验室整体辅材可根据实验室实际环境进行选择，设备辅材包含室内无人机防护、电池防爆箱、电池充电储存防爆柜、模型设计实验平台、防静电实验台、六边形桌椅等。可给实验室整体情况进行选配。

课程资源

实验课程资源介绍

实验课程资源采用项目任务制的逻辑，依据企业内部真实项目开发流程研制，将飞控系统的整体设计及应用流程拆成若干个任务进行制作，每个任务模块中均含有视频资源、实验指导书、教学 PPT，用户可根据教学需求进行筛选适合的模块及实验进行使用，省去教师独自做课件、找资料的“烦恼”。实验课程按照软件在环→硬件在环→真机飞行测试的流程展开教学，其中包含 RflySim 仿真平台环境搭建、动态系统设计与建模实验、传感器与通信系统实验、无人机导航与测控实验、飞行控制算法与策略实验、无人机控制系统调试实验等。