今日报名 | 线上课程Simulink基于模型设计——多旋翼飞行器快速开发开课啦!

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无法参加线下多旋翼飞行器快速开发课程培训的学员们的福音来啦！本次唐朝机器人邀请北航的全权老师团队为大家带来线上直播的多旋翼飞行器快速开发课程，同时本次将发布RflySim平台，该平台将多旋翼飞行器、Pixhawk自驾仪，以及MATLAB+Simulink编程语言紧密联系在一起，让开发更快捷，快来一起学习吧！

课程介绍

本课程分为实验平台和实验任务两大部分，其中实验平台依托了特别设计的RflySim平台。本课程中，RflySim平台利用目前的先进开发理念“基于模型开发（Model-Based Design）”流程，将多旋翼飞行器、Pixhawk自驾仪，以及MATLAB+Simulink编程语言紧密联系在一起。熟悉平台之后，将带领大家循序渐进进行八个任务：多旋翼动力系统设计、多旋翼建模、多旋翼传感器标定、多旋翼滤波器设计、多旋翼姿态控制器设计、多旋翼定点位置控制器设计、半自主多旋翼飞控决策设计以及多旋翼失效保护逻辑设计，完成多旋翼设计和控制实践。本课程适合对无人机特别是多旋翼设计与控制感兴趣的朋友。

课程亮点：

平台一键配置安装，仅Windows环境即可支持全流程开发；

控制器一次设计，代码自动生成，从仿真到实飞一次搞定；

课程系统完整，代码例程丰富（包括自抗扰控制），从设计到决策一网打击；

平台扩展能力强，进一步可扩展到集群和基于视觉的控制。

课程大纲

课程一：课程介绍及实验平台介绍(公开课，见海报）

1.1  主要介绍RflySim教育级平台的基础功能、开发流程、相关的实验课程内容，以及如何进行扩展和教学，它们对应即将出版的《多旋翼飞行器设计与控制实践》。

1.2  主要介绍RflySim教育级平台的高级功能包括分布式架构、集群控制和基于视觉的控制等功能。

1.2.1 多机集群仿真。在同一局域网下，读者可以使用CopterSim连接多个Pixhawk进行硬件或软件在环仿真。同时，读者还可以使用Simulink或者C++程序控制飞行器，控制指令会由Mavlink协议经过串口（数传）或者网络（WIFI）发送给Pixhawk。



一键连接PX4-SITL/Simulink/QGC进行任意多机的集群软件在环仿真

1.2.2  多种机型仿真。支持固定翼、垂直起降飞行器、小车、船等不同机型。支持在Simulink中自行设计机架类型和仿真模型，进一步实验平台能被拓展到任意无人系统中。



固定翼硬件在环仿真森林场景



UE4固定翼无人机空中对接场景

1.2.3 高逼真三维仿真。通过Unreal Engine 4 (UE4) 开发高度逼真的三维场景。根据我们提供的源码和教程，读者可以快速开发一个室内或室外三维场景用于仿真或基于视觉的算法开发。



无人车的室外硬件在环仿真场景



集群控制和硬件在环仿真

1.2.4 基于视觉的控制。基于UE4的三维视景平台还支持视角切换功能，可以获取方便地获取到多个视角的图像数据。还支持通过共享内存的方式在Simulink、Python、C/C++等代码平台中实时获取到图像数据并进行处理，处理得到的视觉数据可以通过UDP再返回给CopterSim或者Simulink控制，形成带有视觉的硬件在环仿真闭环。



基于UE4的室内硬件在环仿真



基于视觉的一键穿环控制例程

课程二：实验平台配置

2.1 实验软硬件平台总体介绍

RFlySim平台采用基于模型的设计思想，包含以下三个部分：

最为广泛使用的飞行平台——多旋翼飞行器，作为飞行平台；         

最为广泛使用的开源飞行器自驾仪系统——Pixhawk/PX4，作为控制平台；

控制工程领域最为广泛使用编程工具之一——MATLAB/Simulink，作为编程语言。

2.2 RflySim软件包安装方法

2.3 实验硬件平台配置方法

课程三：实验平台使用

3.1 实验平台组成与优势

3.2 控制器设计与仿真平台介绍

3.3 PSP自动代码生成工具箱

3.4 Pixhawk自驾仪硬件系统

3.5 硬件在环仿真器



实验平台的软硬件组件与整体流程关系

课程四：实验流程

4.1 实验流程总体介绍

4.2 控制LED等实验具体流程

4.3 姿态控制实验操作具体流程



课程五：动力系统设计

5.1 动力系统设计实验原理介绍

5.2 基础实验——利用给定性能估算工具，试凑出一架飞行时间大于最低需求的多旋翼（四、六、八或共轴），并记录基本飞行性能。

5.3 分析实验——给定一个设计好的多旋翼，分析各个设计参数改变对飞机性能的影响。

5.4 设计实验——给定预期性能指标，设计出一架满足需求的多旋翼飞行器。


性能估算网站（http://flyeval.com/index.html）

课程六：动态建模

6.1 动态建模实验原理介绍

6.2 基础实验——运行给定Simulink模型，记录并分析关键模型参数对飞行性能的影响。

6.3 分析实验——对一个X字型四旋翼进行悬停状态线性化，并对比分析基础实验与分析实验结果的合理性。

6.4 设计实验——给定多旋翼模型参数，建立完整的多旋翼飞行器运动仿真模型，并在flightgear中实现三维场景。





课程七：传感器标定

7.1 传感器标定实验原理介绍

7.2 基础实验——完成加速度计的标定，并绘制标定前后的指标对比图。

7.3 分析实验——修改重力加速度的值，再次进行标定。计算出各自的姿态角，体会两种方式对标定参数产生的影响，并分析结果对角度计算的影响。

7.4 设计实验——根据磁力计的误差模型，设计磁力计数据采集模型，用采集的数据和LM算法求出模型参数的最优解，完成磁力计的标定，并绘制标定前后的指标对比图。


磁力计标定指标对比

采集的磁力计数据

课程八：滤波器设计

8.1 滤波器设计实验原理介绍

8.2 基础实验——利用数据采集模型和Pixhawk自驾仪采集加速度计和陀螺仪数据，按步骤完成互补滤波，处理所得数据并绘制相关姿态角数据图；与原数据解算的姿态角和Pixhawk自驾仪自带姿态角解算出的数据作比较，以理解互补滤波器的优点。

8.3 分析实验——基于基础实验，修改互补滤波器的参数，对所给数据进行滤波，分析滤波器参数对滤波效果的影响。

8.4 设计实验——理解卡尔曼滤波原理，设计卡尔曼滤波器，设计算法实现滤波器功能。处理加速度和角速度数据，并绘制出相关姿态角数据图，与原数据解算的姿态角和Pixhawk自带姿态角解算出的数据作比较，以加深对卡尔曼滤波器的理解。



课程九：姿态控制器设计

9.1 姿态控制器设计实验原理介绍

9.2 基础实验——复现四旋翼飞行器的Simulink仿真,分析控制分配器的作用；记录姿态的阶跃响应，并对开环姿态控制系统进行扫频以绘制Bode图，分析闭环姿态控制系统的稳定裕度。

9.3 分析实验——调节PID控制器的相关参数以改善控制性能，并记录超调量和调节时间，得到一组恰当的参数；使用调试后的参数，对系统进行扫频以绘制Bode图，观察系统幅频响应、相频响应曲线，分析其稳定裕度。

9.4 设计实验——建立姿态控制通道的传递函数模型，设计校正控制器,使得姿态角速度环和角度环的稳态误差、相位裕度和截至频率达到要求。

9.5 自抗扰姿态控制器设计——该控制器由跟踪微分器、非线性状态反馈和扩张状态观测器组成。这里对姿态控制使用ADRC，由第六章的动态系统建模可知，姿态动力学模型是一个二阶系统，所以可以使用二阶形式的ADRC方法。



ADRC结构



ADRC视频介绍

课程十：定点位置控制器设计

10.1 定点位置控制器设计实验原理介绍

10.2 基础实验——复现四旋翼Simulink仿真，分析通道解耦的作用；对系统进行扫频以绘制bode图，分析闭环位置控制系统的稳定裕度。

10.3 分析实验——调节PID控制器的相关参数改善系统的控制性能，并记录超调量和调节时间，得到一组满意的参数；对系统进行扫频以绘制bode图，观察系统幅频响应、相频响应曲线，分析其稳定裕度。

10.4 设计实验——建立位置控制通道的传递函数模型，使用Matlab “Control System Designer”设计校正控制器,使得加入校正环节后系统速度控制环和位置控制环的阶跃响应稳态误差，相位裕度，截止频率等达到要求。



位置控制HIL

课程十一：半自主控制模式设计

11.1 半自主控制模式设计实验原理介绍

11.2 基础实验——在Simulink控制器设计与仿真平台上，复现仿真实验，分析四旋翼姿态和位置响应的特点；记录当期望姿态为零时的水平位置响应；记录当油门回中时的高度响应。

11.3 分析实验——在自稳模式的基础上将模型改成定高模式。根据实验分析，与自稳模式相比，多旋翼在定高模式下姿态和位置输出值的变化。

11.4 设计实验——在自稳模式的基础上将模型改成定点模式。根据实验分析，与自稳模式相比，多旋翼在定点模式下姿态和位置输出值的变化；实现三种模式的自由切换。


位置控制实现逻辑

课程十二：失效保护逻辑设计

12.1 失效保护逻辑设计实验原理介绍。

12.2 基础实验——在Simulink仿真环境中，在手动模式下，实现飞行器的返航和着陆，并记录和分析仿真结果。

12.3 分析实验——在基础实验的基础上，添加相应的状态转移，在手动模式下，实现飞行器的返航和着陆，并且返航和着陆之间可以相互切换。

12.4 设计实验——在前面实验的基础上，增加遥控器断电失联事件，完成新的模态和切换设计，即加入失效返航和失效着陆两种模态，完成状态机的设计。此外还需加入以下功能，如果飞行器离基地很近，直接着陆；而如果飞行器离基地有一定距离，先返航，再进行着陆。



失效保护

讲师介绍

全权



全权，博士，北京航空航天大学副教授，北航可靠飞行控制研究组负责人，长时间从事可靠飞行控制和健康评估等方向研究，著有世界第一本多旋翼飞行器系统著作《Introduction to Multicopter Design and Control》（中译本《多旋翼飞行器设计与控制》），以及该书的姊妹篇《Multicopter Design and Control Practice》（中译本《多旋翼飞行器设计与控制实践》）。

戴训华



戴训华，博士，北航可靠飞行控制研究组成员，RflySim平台的主要开发者与维护者，长期从事无人系统的设计、控制、快速开发与安全测估等方向研究，是《多旋翼飞行器设计与控制实践》（英文版Multicopter Design and Control Practice）作者之一。

王帅



王帅，硕士生，北航可靠飞行控制组成员，参加多旋翼仿真平台搭建以及基于模型设计的课程实践；编写四旋翼固件，实现室内定点飞行。是《多旋翼飞行器设计与控制实践》（英文版Multicopter Design and Control Practice）作者之一。

报名信息

开课时间：暂定5月底或6月初

报名费用：699元



扫描二维码即可报名

微信号 : jiushihanhan

手机号码：14706265391

注意事项

发票问题：

可以提供电子版的增值税普通发票，有需要的可以联系工作人员。

授课方式：

直播授课 + 课后答疑

硬件购买：

课程所需硬件包含飞控板和遥控器，如有需要可以联系工作人员购买。