四旋翼無人機(jī)控制理論與設(shè)計(jì)課程實(shí)踐教學(xué)

王 剛，陳 龍，薛遠(yuǎn)奎，蘇 揚(yáng)

(1.電子科技大學(xué) 信息與通信工程學(xué)院，四川 成都 611731；2.電子科技大學(xué) 機(jī)器人中心，四川 成都 611731)

近年來，隨著四旋翼無人機(jī)的快速發(fā)展[1－9]，以及國家 “創(chuàng)客”“雙創(chuàng)”等政策的大力支持，各種電子設(shè)計(jì)大賽、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)比賽中與無人機(jī)相關(guān)的課題越來越多，大學(xué)生對四旋翼的關(guān)注也越來越多。因此，有必要結(jié)合高校創(chuàng)新教育的目的，開設(shè)無人機(jī)相關(guān)的實(shí)踐課程。

現(xiàn)代高校的工程教育，不僅要培養(yǎng)符合社會發(fā)展要求的合格工程師，還要使學(xué)生具有創(chuàng)新能力；不僅要注重培養(yǎng)學(xué)生綜合應(yīng)用多門課程知識解決實(shí)際工程問題的能力，還要培養(yǎng)學(xué)生從一個實(shí)際問題中去探索發(fā)現(xiàn)自己需要什么知識去解決問題的能力[10－12]。

四旋翼無人機(jī)是一種能夠通過程序控制，能夠自主完成任務(wù)的機(jī)器系統(tǒng)，能打開人的視角去觀測世界，正逐步用于航拍、農(nóng)業(yè)質(zhì)保、電網(wǎng)巡檢和警用等領(lǐng)域。課程旨在通過一系列的課程設(shè)計(jì)為學(xué)生展示數(shù)學(xué)公式的作用和物理方程的概念，以及如何建立數(shù)學(xué)模型并通過程序進(jìn)行仿真；通過激發(fā)學(xué)生思考書本上數(shù)學(xué)公式背后所代表的物理意義，引導(dǎo)學(xué)生通過團(tuán)隊(duì)合作一步一步去完成一個綜合性的小工程，培養(yǎng)學(xué)生在實(shí)踐中求知的能力。通過課程設(shè)計(jì)，學(xué)生能夠初步掌握未來科研所需的各種工具，能夠針對一個需要解決的實(shí)際問題有針對性地檢索信息，從而能掌握高效學(xué)習(xí)的方法和能力。

1 四旋翼教具

教具是課程的基礎(chǔ)，目前的旋翼無人機(jī)平臺很多，但可以用作教具的還比較少。大疆、零度等公司的無人機(jī)功能和種類很多，性能穩(wěn)定，但飛控核心代碼不開源，無法完成對學(xué)生在飛控算法方面的教學(xué)；開源飛控，如PX4和APM，雖然代碼公開，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，新手難以在短時(shí)間內(nèi)完成核心飛控算法的修改和調(diào)試。

在科研項(xiàng)目的基礎(chǔ)上，開發(fā)了無人機(jī)的軟硬件平臺[1]，并把相關(guān)算法集成到平臺中，軟件架構(gòu)簡單易懂。實(shí)踐表明，有C語言基礎(chǔ)的本科三年級學(xué)生能夠讀懂軟件，并通過嵌入式開發(fā)軟件，實(shí)現(xiàn)算法與無人機(jī)平臺的結(jié)合。學(xué)生熟悉控制算法后，可以把不同參數(shù)的軟件算法寫入硬件平臺中，觀測不同參數(shù)對無人機(jī)控制性能的影響，從而加深對算法以及數(shù)學(xué)公式的物理意義的理解。

開發(fā)的無人機(jī)教具如圖1所示。該系統(tǒng)主要包括機(jī)架、電機(jī)、電調(diào)、螺旋槳、電池、遙控設(shè)備、傳感器系統(tǒng)和自動控制板等。機(jī)架和電路板集成在一塊碳纖板上，其力臂長度為300 cm，設(shè)計(jì)的起飛重量在0.5 kg左右。電源放電倍數(shù)為35 C，容量為2 300 mAh。在起飛重量為0.5 kg的情況下，可供飛行15 min左右。飛控的主控制器采用法國ST公司的ARM控制芯片STM32F417ZGT6。該ARM處理器基于Cortex-M4的內(nèi)核，主頻168 MHz，外設(shè)豐富，并附加了一個浮點(diǎn)處理單元(FPU)，處理浮點(diǎn)計(jì)算。

圖1 開發(fā)的無人機(jī)教具

為了防止新手試飛對他人的影響，搭建了如圖2所示的網(wǎng)狀場地。旋翼周圍用碳纖網(wǎng)包圍，既避免了旋翼的旋轉(zhuǎn)傷人，也避免了無人機(jī)掛網(wǎng)，從而增加了飛行的安全性。

圖2 無人機(jī)試飛場地

2 課程內(nèi)容

本課程由淺入深分為3個部分:

1)四旋翼動力學(xué)模型建立及仿真；

2)四旋翼基本控制理論與方法；

3)基于自主開發(fā)的飛控的實(shí)驗(yàn)。

每個部分將設(shè)計(jì)3～5個課程設(shè)計(jì)，課程設(shè)計(jì)是在提供程序框架的前提下基于所學(xué)知識完成四旋翼的某一功能，這種 “填空”形式能讓學(xué)生快速上手并留有充分發(fā)揮的空間。每個課程設(shè)計(jì)都將以前面課程設(shè)計(jì)為基礎(chǔ)不斷增加難度。前兩個部分主要基于MATLAB這一工具，重在培養(yǎng)學(xué)生對基本物理概念的理解以及編程表達(dá)數(shù)學(xué)公式的能力；最后一部分將涉及嵌入式硬件的講解以及C/C＋＋語言的開發(fā)，最后有一個將所有知識串聯(lián)起來的綜合性課程設(shè)計(jì)。

2.1 四旋翼建模與仿真

四旋翼動力學(xué)建模，就是根據(jù)必要的物理參數(shù)建立輸入量和輸出量之間的關(guān)系。在四旋翼中，物理參數(shù)包括四旋翼的重量、轉(zhuǎn)動慣量、尺寸大小、電機(jī)轉(zhuǎn)速與升力的關(guān)系、電機(jī)轉(zhuǎn)速與扭矩的關(guān)系等。輸入量是4個電機(jī)帶動槳產(chǎn)生的升力與扭矩，輸出就是四旋翼的姿態(tài)和因姿態(tài)改變而產(chǎn)生的三維空間的速度和位置。物理建模過程如圖3所示。

圖3 物理建模

在基本知識方面，根據(jù)飛行視頻及動畫向?qū)W生介紹無人機(jī)實(shí)際應(yīng)用、無人機(jī)的基本組成部分和飛行運(yùn)動原理，介紹國內(nèi)外的商業(yè)無人機(jī)發(fā)展及學(xué)術(shù)研究型無人機(jī)的發(fā)展。

在理論建模方面，通過建立無人機(jī)數(shù)學(xué)建模講解坐標(biāo)系、轉(zhuǎn)移矩陣、歐拉角、姿態(tài)動力學(xué)方程和位置動力學(xué)方程等基本概念。

在硬件平臺方面，主要介紹開發(fā)環(huán)境，具體包括:1)講解簡要的C語言，基于實(shí)際開發(fā)，講解關(guān)鍵編程技能；2)介紹IAR開發(fā)環(huán)境，即介紹如何編譯、下載和調(diào)試。

2.2 四旋翼控制理論與方法

四旋翼是一個欠驅(qū)動系統(tǒng)，因?yàn)槠鋭恿W(xué)結(jié)構(gòu)特殊，所以需要將姿態(tài)、高度和水平位置從動力學(xué)方程中解耦出來，然后分開進(jìn)行控制。針對其欠驅(qū)動特性，在系統(tǒng)的總體控制方面，本文采用增加虛擬控制量的方法，將其變?yōu)槿?qū)動系統(tǒng)?？傮w控制框架如圖4所示，φdes和θdes為增加的虛擬控制量。其中，“水平位置控制器”通過期望的水平位置計(jì)算虛擬控制量，即期望的滾轉(zhuǎn)角φdes和期望的俯仰角θdes；“姿態(tài)控制器”根據(jù)輸入的期望偏航角ψdes和 “水平位置控制器”計(jì)算出的φdes和θdes，計(jì)算出力矩控制量T；“高度控制器”直接通過期望高度計(jì)算出總拉力F；最后通過 “數(shù)據(jù)整合器”反解出真正的控制量ωi(i＝1，2，3，4) 。

圖4 總體控制框架圖

在控制理論方面，主要采用PID進(jìn)行控制。滾轉(zhuǎn)角、俯仰角和偏航角的實(shí)際控制結(jié)果如圖5、圖6和圖7所示。

圖5 姿態(tài)(滾轉(zhuǎn))角實(shí)際控制結(jié)果

圖6 姿態(tài)(俯仰)角實(shí)際控制結(jié)果

圖7 姿態(tài)(偏航)角實(shí)際控制結(jié)果

在控制理論講解中，本文以實(shí)際飛行控制的例子介紹基于經(jīng)典PID控制理論及編程實(shí)現(xiàn)；以無人機(jī)中姿態(tài)融合算法為例講解信號處理、互補(bǔ)濾波及卡爾曼濾波的概念。

在相關(guān)的實(shí)驗(yàn)中，本文講解基于C語言的嵌入式編程，包括:1)通過編程實(shí)現(xiàn)PWM波形輸出，控制無刷電機(jī)轉(zhuǎn)動并調(diào)速；2)通過串口編程實(shí)現(xiàn)無人機(jī)與地面站控制軟件的通信；3)介紹通信協(xié)議和數(shù)據(jù)解析是什么；4)如何使用I2C和SPI等芯片通信協(xié)議去讀取芯片數(shù)據(jù)信息。

2.3 課程實(shí)驗(yàn)安排

在無人機(jī)組裝調(diào)試方面，要求學(xué)生:1)能夠根據(jù)飛行硬件平臺說明書，自己拆卸并再次組裝無人機(jī)；2)在不安裝槳的情況下熟悉無人機(jī)操作的基本流程。

在飛行模擬器練習(xí)及實(shí)際飛行練習(xí)方面，要求學(xué)生:1)熟悉遙控器，知道什么是通道，什么是油門遙桿，并學(xué)會控制飛機(jī)飛行；2)進(jìn)行飛機(jī)懸停模式的飛行練習(xí)，學(xué)會最基本的飛行操作；3)掌握姿態(tài)模式、高度模式和位置模式下的飛行技巧。

在課程推進(jìn)過程中，采用基于問題引導(dǎo)的啟發(fā)式教育:1)教師作為引導(dǎo)者，幫助學(xué)生進(jìn)入問題的研究和探索；2)鼓勵學(xué)生在課堂上隨時(shí)提出問題，積極與老師交流。

在實(shí)驗(yàn)中，強(qiáng)調(diào)以學(xué)生為中心:1)學(xué)生以小組為單位，每個小組自由組隊(duì)，包括3～5人；2)學(xué)生根據(jù)特長或愛好進(jìn)行操作飛機(jī)、算法理解、軟件編程等方面的分工；3)小組中，學(xué)生合作學(xué)習(xí)和自主學(xué)習(xí)，小組成員為了解決問題，互相交流合作分享知識。

最后有一個將所有知識串聯(lián)起來的綜合性課程設(shè)計(jì)。該課程設(shè)計(jì)不設(shè)標(biāo)準(zhǔn)答案，學(xué)生根據(jù)自己的特長，選擇無人機(jī)開發(fā)的切入點(diǎn)。例如:喜歡操控?zé)o人機(jī)的學(xué)生，可以從四旋翼飛行狀態(tài)中思考不同的控制參數(shù)對飛行狀態(tài)的影響；喜歡研究控制算法的學(xué)生，可以思考模型的物理意義(如模型在什么情況下與實(shí)際不符合？)；喜歡傳感器的學(xué)生，可以思考為什么要進(jìn)行數(shù)據(jù)融合等。

3 課后反饋

在課程開展過程中，學(xué)生的興趣被動手操作飛機(jī)、軟件編程、硬件編程、算法物理意義探索等問題逐步吸引和調(diào)動，不斷提出自己的想法和意見。雖然大多數(shù)想法是不成熟的，但學(xué)生的視野得到了開闊，通過對實(shí)際問題的思考，學(xué)生的興趣也在不斷增加。

本課程面對電子信息工程專業(yè)的本科三年級學(xué)生開設(shè)。該專業(yè)的學(xué)生已學(xué)過信號與系統(tǒng)、模擬電路基礎(chǔ)、數(shù)字電路等信號和電路方面的專業(yè)課，但控制理論方面的基礎(chǔ)較為薄弱。因此，課后學(xué)生對信號處理方面的問題更加關(guān)心，希望多介紹互補(bǔ)濾波、卡爾曼濾波等信號方面的知識；而對控制方面的知識關(guān)心有限。

在課程討論中，本文發(fā)現(xiàn)大多數(shù)學(xué)生是想先學(xué)會各種各樣的知識后，再去融會貫通，最后去解決實(shí)際問題。但是，每個人能掌握的知識是有限的，而實(shí)際問題是無限的；知識再豐富的人，在遇到實(shí)際問題的時(shí)候也會遇到不懂的地方。所以，在靠個人解決不了問題的情況下，教師應(yīng)引導(dǎo)學(xué)生一切從實(shí)際出發(fā)，遇到不懂的問題，擅于找人合作或者從文獻(xiàn)、專利中尋找答案。

4 結(jié)束語

通過這門學(xué)科前沿課的理論與實(shí)踐，學(xué)生能夠逐步了解真實(shí)的科研是如何完成的:從實(shí)際問題出發(fā)，思考物理意義；在物理意義的基礎(chǔ)上建立數(shù)學(xué)模型；通過軟件、硬件的仿真和實(shí)驗(yàn)去驗(yàn)證模型的有效性。在個人解決不了問題的情況下，通過查找資料來找到適合的算法 (或他人幫助)來解決問題。

[1]WANG G，GE S S.General fight rule－based trajectory planning for pairwise collision avoidance in a known environment[J].International Journal of Control Automation＆ Systems，2014，12(4):813－822.

[2]ZHAO X，WANG G，GE S S.Cooperative localization based on robust GPS and Radar fusion for multiple aerial vehicles[J].International Journal of Control Automation ＆ Systems，2017，15(2):732－742.

[3]ZHAO X，WANG G，CAI M，et al.Stereo－vision based obstacle avoidance by finding safe region[J].International Journal of Control Automation ＆ Systems，2017，15(3):1374－1383.

[4]WANG G，XIE R Q，ZHANG H B，et al.Robust exponential H∞ Filtering for Discrete－Time Switched Fuzzy Systems with Time－Varying Delay，Circuits Systems＆Signal Processing，2016，35(1):117－138.

[5]CHEN L，WANG G.Attitude Stabilization for a Quadrotor Helicopter Using a PD Controller[J].IFAC Proceedings Volumes，2013，46(20):236 －239.

[6]TANG L W，WANG G.The Implementation of Trajectory Planning in Real DEM Maps based on MILP[J].IFAC Proceedings Volumes，2013，46(20):86 －90.

[7]WANG G，GE S S.A 3D trajectory planning scheme based on visual obstacle localization and avoidance[C]//Control Conference.IEEE，2013:5889－5894.

[8]WANG J，ZHAO P，HOI S C H，et al.Online Feature Selection and Its Applications[J].IEEE Transactions on Knowledge and Data Engineering，2014，26(3):698－710.

[9]HUANG J.Stereo matching based on segmented B－spline surface fitting and accelerated region belief propagation[J].Computer Vision Iet，2015，9(4):456 －466.

[10]韓晉東.理工科高校創(chuàng)新教育體系與平臺探究[J].實(shí)驗(yàn)科學(xué)與技術(shù)，2015，13(1):163－166.

[11]葛青，葛良全，吳建平.《數(shù)字信號處理》實(shí)踐教學(xué)改革[J].實(shí)驗(yàn)科學(xué)與技術(shù)，2013，11(5):71－73.

[12]馬志誠，陳敏.教育機(jī)器人在創(chuàng)新實(shí)踐教學(xué)中的應(yīng)用[J].實(shí)驗(yàn)科學(xué)與技術(shù)，2008，6(6):96－98.