一、建設(shè)背景

隨著無人機(jī)在各個領(lǐng)域的快速發(fā)展和廣泛應(yīng)用，對于培養(yǎng)適應(yīng)時代需求的高素質(zhì)人才提出了更高的要求。無人機(jī)不僅僅是一種工具，更是一門涵蓋自動控制、機(jī)械、電子、計算機(jī)等多學(xué)科知識的綜合技術(shù)。在這一背景下，建設(shè)無人機(jī)飛行控制教學(xué)實(shí)驗室成為高校不可少的重要舉措。通過這個實(shí)驗室，可以為學(xué)生提供實(shí)踐培訓(xùn)的機(jī)會，讓他們深入了解無人機(jī)飛行的基本原理和控制技術(shù)，培養(yǎng)他們的創(chuàng)新能力、解決問題的能力以及團(tuán)隊合作意識。此外，無人機(jī)飛行控制教學(xué)實(shí)驗室也有助于高校與相關(guān)產(chǎn)業(yè)界緊密合作，促進(jìn)科研成果的轉(zhuǎn)化和實(shí)際應(yīng)用，為推動無人機(jī)技術(shù)的發(fā)展和培養(yǎng)適應(yīng)未來社會需求的人才做出積極貢獻(xiàn)。

二、無人機(jī)飛控設(shè)計與仿真實(shí)驗室建設(shè)方案概述

無人機(jī)飛行控制教學(xué)實(shí)驗的建設(shè)采取虛實(shí)結(jié)合、循序漸進(jìn)的方式，開展無人機(jī)飛行控制系統(tǒng)軟件仿真實(shí)驗，硬件在環(huán)仿真實(shí)驗和實(shí)飛驗證實(shí)驗，幫助學(xué)生建立無人機(jī)飛行控制系統(tǒng)的整體概念、理解無人機(jī)飛行控制系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)。

本實(shí)驗系統(tǒng)立足本科教學(xué)需求，兼具科研用途。采用符合實(shí)際無人機(jī)的動力學(xué)模型，建立具有實(shí)際無人機(jī)系統(tǒng)控制增穏、自動駕駛和飛行管理分層架構(gòu)的飛行控制系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)，直觀展示飛行控制系統(tǒng)架構(gòu)和邏輯以及無人機(jī)飛行控制過程，使學(xué)生可以更深入理解所學(xué)理論知識，也能夠通過實(shí)際的飛行現(xiàn)象，建立無人機(jī)系統(tǒng)應(yīng)用的相關(guān)概念。

三、無人機(jī)飛控設(shè)計與仿真實(shí)驗室建設(shè)方案總體系統(tǒng)設(shè)計

本系統(tǒng)基于Matlab/Simulink環(huán)境開發(fā)，基于模型的設(shè)計理念，使學(xué)生以直觀的方式設(shè)計和修改飛行控制律結(jié)構(gòu)和參數(shù)，同時采用模塊化的飛行控制軟件架構(gòu)，可以分模塊進(jìn)行實(shí)驗。

項目研究技術(shù)方案如下圖所示：

本平臺可劃分為以下幾個子系統(tǒng)，具體組成如下：

四、分系統(tǒng)設(shè)計

4.1 無人機(jī)飛行控制律仿真實(shí)驗系統(tǒng)

本系統(tǒng)主要通過無人機(jī)和飛行控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型仿真飛行過程，通過圖形化界面展示無人機(jī)飛行控制結(jié)構(gòu)和飛行管理邏輯，并通過三維動畫展現(xiàn)無人機(jī)飛行控制效果。

4.2 無人機(jī)飛行動力學(xué)與飛行控制實(shí)時仿真與驗證系統(tǒng)

主要演示無人機(jī)飛行控制系統(tǒng)的具體工作原理，包含實(shí)際的飛行控制系統(tǒng)傳感器，利用轉(zhuǎn)臺等輔助裝置模擬無人機(jī)的飛行動態(tài)，實(shí)現(xiàn)飛行控制系統(tǒng)硬件在環(huán)工作，使學(xué)生直觀感受無人機(jī)飛行控制系統(tǒng)的內(nèi)部工作過程。該實(shí)驗系統(tǒng)以演示性實(shí)驗為主，同時支持傳感器濾波實(shí)驗的開展。

4.3無人機(jī)地面站仿真系統(tǒng)

本系統(tǒng)主要模擬無人機(jī)“機(jī)站鏈"一體化控制結(jié)構(gòu)和人在回路中的無人機(jī)控制方式，實(shí)現(xiàn)地面操控員與無人機(jī)飛行控制系統(tǒng)的交互，使學(xué)員認(rèn)識和體會無人機(jī)飛行控制和飛行管理的全過程。

4.4 無人機(jī)飛行控制系統(tǒng)硬件設(shè)計與實(shí)驗系統(tǒng)

本系統(tǒng)主要通過實(shí)際無人機(jī)飛行過程，使學(xué)生理解無人機(jī)飛行控制系統(tǒng)的實(shí)際工作過程和實(shí)際現(xiàn)象，使學(xué)員對飛行控制原理建立直觀的理解，提高學(xué)員的學(xué)習(xí)興趣，輔助學(xué)員建立無人機(jī)系統(tǒng)飛行的整體認(rèn)識。同時也可作為學(xué)員課外創(chuàng)新，提高動手能力的實(shí)驗平臺。

4.5 多旋翼無人機(jī)實(shí)驗系統(tǒng)

多旋翼無人機(jī)實(shí)驗系統(tǒng)支持全機(jī)臺架調(diào)試和飛行控制器電動三軸轉(zhuǎn)臺調(diào)試，能夠提供動力學(xué)建模、姿態(tài)濾波、姿態(tài)控制律等基礎(chǔ)實(shí)驗。

4.6 垂直起降無人機(jī)實(shí)驗平臺

采用具有垂直起降功能的固定翼飛機(jī)作為實(shí)驗平臺，既具有旋翼無人機(jī)能夠垂直起降，節(jié)省空間的優(yōu)點(diǎn)，又具有固定翼無人機(jī)的飛行特性和控制結(jié)構(gòu)，適合于在不具備跑道條件的情況下開展飛行控制實(shí)驗。

能夠?qū)崿F(xiàn)可靠平穩(wěn)的懸停飛行、固定翼平飛以及過渡轉(zhuǎn)換飛行；能夠開展飛行模態(tài)轉(zhuǎn)換、控制增穏、航點(diǎn)飛行等實(shí)驗內(nèi)容。幫助學(xué)員理解和掌握自動控制模態(tài)管理的過程。

硬件指標(biāo)參數(shù)：

機(jī)身長度：1400mm；

最大起飛重量：8kg；

翼展：2160mm；

巡航飛行時間：80min；

巡航速度：18m/s；

懸停飛行時間：20min；

最小起飛場地：5m*5m；

通訊控制范圍：15km

故障保護(hù)：失控保護(hù)、自主返航、失速旋翼輔助等安全保護(hù)功能

本系統(tǒng)硬件包括飛行平臺、飛行控制器、遙控器、地面站、差分GPS系統(tǒng)、數(shù)傳圖傳模塊，以及保證無人機(jī)可靠飛行的其它附屬設(shè)備；

本系統(tǒng)的飛行控制器提供完整飛行控制程序源代碼及控制模型，并包括主要代碼的說明文檔和流程圖，采用與仿真系統(tǒng)一致的模塊化飛行控制律軟件架構(gòu)，支持基于MATLAB/Simulink的MBD設(shè)計方式。

4.7 固定翼無人機(jī)實(shí)驗平臺

固定翼無人機(jī)實(shí)驗平臺能夠模擬真實(shí)無人機(jī)裝備的飛行過程，同時與仿真實(shí)驗采用相同的飛行控制律結(jié)構(gòu)。固定翼無人機(jī)實(shí)驗平臺在具備跑道的外場條件下開展實(shí)驗，能夠?qū)嶒灍o人機(jī)全過程的飛行控制，具有模擬真實(shí)裝備的飛行流程和控制律結(jié)構(gòu)，使學(xué)員建立無人機(jī)飛行全過程的基本認(rèn)識，理解無人機(jī)飛行控制特點(diǎn)。

飛機(jī)硬件指標(biāo)參數(shù)：

機(jī)身長度：800mm。

空機(jī)重量：1000g。

翼展：1600mm。

最大起飛重量：5kg。

擬采用翼展1.6m以上，技術(shù)成熟飛行穩(wěn)定的電動固定翼模型飛機(jī)為平臺，并采用與仿真系統(tǒng)一致的飛行控制器硬件和飛行控制律軟件架構(gòu)，從而驗證控制律的實(shí)際效果。

五、總結(jié)

該實(shí)驗室可以為學(xué)生提供真實(shí)的操作環(huán)境，讓他們親身參與無人機(jī)的設(shè)計、組裝、編程和飛行控制等環(huán)節(jié)。通過動手實(shí)踐，學(xué)生可以更好地理解飛行器的工作原理，掌握飛行控制的關(guān)鍵技術(shù)，培養(yǎng)解決實(shí)際問題的能力。此外，實(shí)驗室也為學(xué)生提供了與多學(xué)科交叉融合的機(jī)會，如自動控制、機(jī)械設(shè)計、電子工程、計算機(jī)編程等，從而培養(yǎng)出更全面的工程人才。

無人機(jī)飛行控制實(shí)驗室還有助于推動科研創(chuàng)新。學(xué)生和教師可以在實(shí)驗室中開展飛行控制系統(tǒng)的研究，探索新的控制算法、傳感器技術(shù)和自主飛行策略。這不僅可以豐富科研成果，也可為無人機(jī)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展做出貢獻(xiàn)。

此外，實(shí)驗室還能與產(chǎn)業(yè)界建立緊密聯(lián)系，開展合作研究和項目，促進(jìn)技術(shù)轉(zhuǎn)化和產(chǎn)業(yè)化。學(xué)生通過實(shí)際合作項目，可以更好地了解市場需求，培養(yǎng)創(chuàng)業(yè)意識，為未來的就業(yè)和創(chuàng)業(yè)奠定基礎(chǔ)。