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无人机飞控设计与仿真实验室建设方案

2023-08-11 14:49:01 6442

一、建设背景

随着无人机在各个领域的快速发展和广泛应用,对于培养适应时代需求的高素质人才提出了更高的要求。无人机不仅仅是一种工具,更是一门涵盖自动控制、机械、电子、计算机等多学科知识的综合技术。在这一背景下,建设无人机飞行控制教学实验室成为高校不可或缺的重要举措。通过这个实验室,可以为学生提供实践培训的机会,让他们深入了解无人机飞行的基本原理和控制技术,培养他们的创新能力、解决问题的能力以及团队合作意识。此外,无人机飞行控制教学实验室也有助于高校与相关产业界紧密合作,促进科研成果的转化和实际应用,为推动无人机技术的发展和培养适应未来社会需求的人才做出积极贡献。

二、方案概述

无人机飞行控制教学实验的建设采取虚实结合、循序渐进的方式,开展无人机飞行控制系统软件仿真实验,硬件在环仿真实验和实飞验证实验,帮助学生建立无人机飞行控制系统的整体概念、理解无人机飞行控制系统的体系结构。

本实验系统立足本科教学需求,兼具科研用途。采用符合实际无人机的动力学模型,建立具有实际无人机系统控制增穏、自动驾驶和飞行管理分层架构的飞行控制系统基本结构,直观展示飞行控制系统架构和逻辑以及无人机飞行控制过程,使学生可以更深入理解所学理论知识,也能够通过实际的飞行现象,建立无人机系统应用的相关概念。

三、总体系统设计

本系统基于Matlab/Simulink环境开发,基于模型的设计理念,使学生以直观的方式设计和修改飞行控制律结构和参数,同时采用模块化的飞行控制软件架构,可以分模块进行实验。

项目研究技术方案如下图所示:

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本平台可划分为以下几个子系统,具体组成如下:

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四、分系统设计

4.1 无人机飞行控制律仿真实验系统

本系统主要通过无人机和飞行控制系统的数学模型仿真飞行过程,通过图形化界面展示无人机飞行控制结构和飞行管理逻辑,并通过三维动画展现无人机飞行控制效果。

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4.2 无人机飞行动力学与飞行控制实时仿真与验证系统

主要演示无人机飞行控制系统的具体工作原理,包含实际的飞行控制系统传感器,利用转台等辅助装置模拟无人机的飞行动态,实现飞行控制系统硬件在环工作,使学生直观感受无人机飞行控制系统的内部工作过程。该实验系统以演示性实验为主,同时支持传感器滤波实验的开展。

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4.3无人机地面站仿真系统

本系统主要模拟无人机“机站链”一体化控制结构和人在回路中的无人机控制方式,实现地面操控员与无人机飞行控制系统的交互,使学员认识和体会无人机飞行控制和飞行管理的全过程

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4.4 无人机飞行控制系统硬件设计与实验系统

本系统主要通过实际无人机飞行过程,使学生理解无人机飞行控制系统的实际工作过程和实际现象,使学员对飞行控制原理建立直观的理解,提高学员的学习兴趣,辅助学员建立无人机系统飞行的整体认识。同时也可作为学员课外创新,提高动手能力的实验平台。

4.5 多旋翼无人机实验系统

多旋翼无人机实验系统支持全机台架调试和飞行控制器电动三轴转台调试,能够提供动力学建模、姿态滤波、姿态控制律等基础实验。

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4.6 垂直起降无人机实验平台

采用具有垂直起降功能的固定翼飞机作为实验平台,既具有旋翼无人机能够垂直起降,节省空间的优点,又具有固定翼无人机的飞行特性和控制结构,适合于在不具备跑道条件的情况下开展飞行控制实验。

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能够实现可靠平稳的悬停飞行、固定翼平飞以及过渡转换飞行;能够开展飞行模态转换、控制增穏、航点飞行等实验内容。帮助学员理解和掌握自动控制模态管理的过程。

硬件指标参数:

机身长度:1400mm;

最大起飞重量:8kg;

翼展:2160mm;

巡航飞行时间:80min;

巡航速度:18m/s;

悬停飞行时间:20min;

最小起飞场地:5m*5m;

通讯控制范围:15km

故障保护:失控保护、自主返航、失速旋翼辅助等安全保护功能

本系统硬件包括飞行平台、飞行控制器、遥控器、地面站、差分GPS系统、数传图传模块,以及保证无人机可靠飞行的其它附属设备;

本系统的飞行控制器提供完整飞行控制程序源代码及控制模型,并包括主要代码的说明文档和流程图,采用与仿真系统一致的模块化飞行控制律软件架构,支持基于MATLAB/Simulink的MBD设计方式。

4.7 固定翼无人机实验平台

固定翼无人机实验平台能够模拟真实无人机装备的飞行过程,同时与仿真实验采用相同的飞行控制律结构。固定翼无人机实验平台在具备跑道的外场条件下开展实验,能够实验无人机全过程的飞行控制,具有模拟真实装备的飞行流程和控制律结构,使学员建立无人机飞行全过程的基本认识,理解无人机飞行控制特点。

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飞机硬件指标参数:

机身长度:800mm。

空机重量:1000g。

翼展:1600mm。

最大起飞重量:5kg。

拟采用翼展1.6m以上,技术成熟飞行稳定的电动固定翼模型飞机为平台,并采用与仿真系统一致的飞行控制器硬件和飞行控制律软件架构,从而验证控制律的实际效果。

五、总结

该实验室可以为学生提供真实的操作环境,让他们亲身参与无人机的设计、组装、编程和飞行控制等环节。通过动手实践,学生可以更好地理解飞行器的工作原理,掌握飞行控制的关键技术,培养解决实际问题的能力。此外,实验室也为学生提供了与多学科交叉融合的机会,如自动控制、机械设计、电子工程、计算机编程等,从而培养出更全面的工程人才。

无人机飞行控制实验室还有助于推动科研创新。学生和教师可以在实验室中开展飞行控制系统的研究,探索新的控制算法、传感器技术和自主飞行策略。这不仅可以丰富科研成果,也可为无人机技术的进一步发展做出贡献。

此外,实验室还能与产业界建立紧密联系,开展合作研究和项目,促进技术转化和产业化。学生通过实际合作项目,可以更好地了解市场需求,培养创业意识,为未来的就业和创业奠定基础。