基于模型开发的微小型固定翼无人机建模与控制

cs31003

课程介绍
固定翼课程设计包括小型固定翼无人机的飞行性能评估、动态系统建模与辨识、底层控制器设计、路径规划以及集群飞行等部分，每个部分分为基础实验、分析实验和设计实验。课程采用基于模型的开发思路，首先直接进行软件在环仿真，然后通过自动代码生成将代码烧录至Pixhawk飞控，在RflySim平台中进行硬件在环仿真。各组同学通过这段实际的学习，在对固定翼无人机有了较为全面和深入的理解，完成了自主巡线飞行，模型参数辨识和集群飞行等一系列任务。

固定翼底层飞控实验（一组）

作者：谢雨彤，师哲安
摘要：针对提出的工厂巡查问题，用远程操控固定翼无人机进行工厂及其周边环境的巡查。分别就平飞性能评估、动态系统建模，底层飞控设计以及硬件在环仿真四个方面进行整个固定翼飞行器的底层飞控设计以实现上述目标。使用包括Matlab/Simulink、AID、flightgear、QGoundControl以及RflySim等软件,Pixhawk飞控、乐迪AT9S遥控器等硬件设备，进行了包括软件仿真和半实物仿真，实现了固定翼飞行器的底层飞控设计，同时对于仿真过程进行了展示。

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固定翼底层飞控实验（二组）

作者：马颖超，辛敏健
摘要：为了解决提出的未知山体区域的巡航问题，用远程操控固定翼无人机进行相关区域的航拍。使用RflySim，Matlab/Simulink、AID、FlightGear、QGoundControl等相关软件进行建模与仿真，搭建了飞控的相关模型，最终实现了上述目标。从平飞性能评估、动态系统建模，底层飞控设计到硬件在环仿真逐步完成对于固定翼无人机的底层飞控设计。硬件方面使用了Pixhawk飞控，乐迪AT9S遥控器等设备，进行了半实物仿真，完成了巡航山体一周的粗略模拟，对于此过程进行了展示。


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固定翼路径规划与跟随实验（一组）

作者：呼晨宇，葛瑄
摘要：在目前的无人机任务规划中，无人机的飞行性能评估问题以及路径规划问题一直是重点。让固定翼无人机在航程充足的情况下，完成自动路径规划追踪是整个无人机飞行任务的首要难点。基于这一研究目标，我们首先对无人机平飞性能进行评估，计算气动参数对无人机性能影响，之后选取合适的固定翼无人机参数，并进行固定翼模型的计算搭建。并在此基础上，进行路径规划计算。在这里我们还使用RflySim平台和QGC地面站以及Pixhawk飞控，乐迪AT9S遥控器等相关硬件对固定翼无人机建模和路径规划算法进行了实现并完成硬件在环仿真以满足我们虚拟任务要求。


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固定翼系统辨识实验（一组）

作者：黄可婧，郭良昊
摘要：在飞控系统设计时主要任务是建立合适的系统，使输入输出信号满足预先设计的要求。而系统辨识所研究的正好是其逆问题。通过采集得到的信号求解出误差最小的预设模型，并获得系统的各种参数。传统的风洞法是获得飞机气动参数的主要方法，但其成本巨大，实验周期长。参数辨识方法能够大大缩短时间跨度与成本，且能得到较高的准确度，具有一定优势。在本次实验中，我们分别对固定翼无人机的制导模型与气动参数进行辨识，运用动力学方程及最小二乘估计等方法解算参数，得到了飞机高度通道，航向角通道，速度通道的线性模型与俯仰，滚转，偏航通道的非线性模型，取得了不错的效果。


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固定翼系统辨识实验（二组）

作者：董晨辉，张一辉
摘要：固定翼无人机因体积小、造价低、使用方便、对环境要求低、生存能力较强等优点，近年来无人机的全球市场大幅增长，现已成为商业、政府和消费应用的重要工具。研制高性能无人机需要建立其飞行动力学模型，而获得准确的各项气动导数是成功建模的关键，目前无人机的气动导数的获取主要采用理论计算法或试验法，而理论计算法精度低、求解时间长，试验法成本及其高昂的特点导致在实际操作中很难实现。因此，需要一种更为低成本又在一定程度上比较精确的方式。本次实验使用开源飞控，依托固定翼动力学方程，通过软件以及硬件在环仿真参数完成了气动参数的辨识，其过程方便快捷，成本低廉并且具有一定精度。


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固定翼系统辨识实验（三组）

作者：蔡智荣，李明哲
摘要：模型预测控制(MPC)算法是一种应用于工业领域的优化控制算法，随着算法理论的完善，目前已成为工业领域内常用的一种经典算法。近年来在无人机智能控制领域，模型预测算法的应用愈加广泛。MPC算法实现精准控制无人机的关键在于需要准确的飞机模型，传统的模型获取方法是进行风洞试验。然而这种方法存在实验成本高，易受环境干扰的缺点。参数辨识的方法相比传统风洞实验有成本低，效率高的优点，因此，本项目采用参数辨识方法来获取模型，通过采集实际飞机飞行数据，使用MATLAB工具箱进行线性模型辨识；利用最小二乘法与逐步回归法建立起气动参数与飞机状态量的关系，实现非线性模型辨识。

固定翼微分平坦控制实验

作者：贾凌一，杨海佳
摘要：针对无人机飞行路径跟随不够灵敏的问题，我们通过微分平坦的方法对固定翼无人机的轨迹进行优化，使之能够很好地追踪预设路线，实现既定任务。以微分平坦方法得到的控制轨迹为前馈，对固定无人机的位置，速度和加速度进行反馈控制，最终得到一个对照的旋转矩阵，使用旋转矩阵对固定翼无人机进行控制。


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固定翼集群飞行与管道控制实验

作者：刘尚，齐梓越
摘要：当下，无人机集群控制受到越来越广泛的关注。我们首先采用编队的方法，利用领机和僚机的飞行架构对无人机质点模型完成了集群编队控制器设计。但是考虑到在复杂环境下编队控制在适应度和稳定度上效果欠佳，我们又通过轨迹曲线生成管道，实现了具有更好适应性和稳定性的管道控制。之后我们将质点模型替换为制导模型并在RflySim仿真平台实现了3D动态仿真，进一步验证了控制器的效果。此外，我们基于真实的飞行数据，对制导模型的参数进行系统辨识，得到更真实的系统动态模型并在matlab中实现了整个系统的闭环仿真。


video: https://mp.weixin.qq.com/mp/readtemplate?t=pages/video_player_tmpl&action=mpvideo&auto=0&vid=wxv_2651698983555563521源自：可靠飞行控制研究组
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