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內容簡介： 本书分为实验平台和实验任务两大部分，其中实验平台依托为本书特别设计的RflySim平台。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。实验任务共包括循序渐进的8个实验：动力系统设计、动态建模、传感器标定、滤波器设计、姿态控制器设计、定点位置控制器设计、半自主控制模式设计及失效保护逻辑设计，完成多旋翼飞行器设计与控制实践。本书适合对无人机特别是多旋翼飞行器设计与控制感兴趣的读者，也可以把本书部分实验作为专业课程的实践环节。 關於作者： 全权，北京航空航天大学副教授，博士，新加坡国立大学Research Fellow，已受邀为加拿大多伦多大学访问教授，获得北京航空航天大学蓝天新秀、北京市青年英才计划支撑。 目錄： 目录 第1章 课程介绍 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1.1 什么是多旋翼飞行器. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .2 1.1.1 常见飞行器分类. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 1.1.2 无人驾驶飞机和航空模型飞机. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 1.2 为什么选择多旋翼飞行器. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 1.3 本书内容. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 1.3.1 实验平台. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 1.3.2 实验课程. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 1.3.3 主要特色. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 1.4 工程教育认证标准覆盖介绍. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . .10 第2 章实验平台配置. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 2.1 实验平台总体介绍. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 2.1.1 硬件平台. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 2.1.2 软件平台. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 2.1.3 软件硬件关系. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 2.2 软件包安装方法. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 2.2.1 安装步骤. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 2.2.2 高级设置. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18 2.2.3 安装完成效果. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 2.2.4 软件简要介绍. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 2.3 硬件平台配置. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .25 2.3.1 遥控器配置. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25 2.3.2 Pixhawk 自驾仪系统配置. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32 2.3.3 机架和动力系统配置. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . 33 第3 章实验平台使用. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35 3.1 实验平台总体介绍. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36 3.1.1 实验平台组成. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36 3.1.2 实验平台优势. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39 3.2 控制器设计与仿真平台. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39 3.2.1 控制器. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40 3.2.2 多旋翼模型. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42 3.2.3 FlightGear 接口. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45 3.3 PSP 工具箱. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46 3.3.1 Simulink Pixhawk Target Blocks 模块库介绍. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48 3.3.2 工具箱中各模块的使用. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50 3.3.3 Simulink 配置实现PSP 工具箱自动代码生成. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .57 3.4 Pixhawk 硬件系统. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60 3.4.1 硬件系统组成与连线. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60 3.4.2 遥控器基本操作方法. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61 3.4.3 地面站下载固件方法. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62 3.4.4 Pixhawk 自驾仪半物理仿真模式设置. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .63 3.4.5 遥控器配置与校准. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .64 3.4.6 飞行模式设置. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65 3.5 硬件在环仿真器. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66 3.5.1 CopterSim . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66 3.5.2 3D Display . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68 3.5.3 硬件在环飞行测试. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . .69 第4 章实验流程. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70 4.1 实验流程总体介绍. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71 4.2 控制LED 灯实验操作具体流程. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73 4.2.1 LED 灯实验目标. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73 4.2.2 设计LED 灯控制模型. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .73 4.2.3 控制器代码生成与固件下载. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75 4.2.4 实验效果. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79 4.3 姿态控制实验操作具体流程. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79 4.3.1 基于Simulink 的算法设计与仿真阶段. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .80 4.3.2 代码生成与配置阶段. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83 4.3.3 硬件在环仿真阶段. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 內容試閱： 序 在新中国成立70周年国庆大阅兵上，众多无人机纷纷展出，它已经成为信息化战争的主角之一。在民用方面，无人机能够替代有人驾驶飞机，从事航拍、勘探、检测、喷洒、运输和通信中继等任务，极大地节省了人力物力。最近几年，军民无人机的发展呈爆炸性增长的趋势且人们所研制的无人机功能越来越复杂。因此，传统系统工程方式越来越难以应对质量、成本和效率三者之间的矛盾。为了解决这些矛盾，基于模型的系统工程应运而生，空客、波音、洛克希德马丁等公司积极参与其中。目前，该方法流程也在中国航空工业积极推广。 我国需要大量具备基于模型的系统工程思维的无人机复合型人才，而《多旋翼飞行器设计与控制实践》一书可以作为培养该类人才的入门书籍。大部分读者很难接触中大型无人机，却较容易接触多旋翼飞行器。多旋翼飞行器，麻雀虽小，五脏俱全。它包括飞行器平台、动力系统、导航系统、控制系统以及通信指挥系统等，是一个很好的学习平台。多旋翼飞行器的可靠飞行建立在力学、电子工程、计算机技术和自动控制技术等知识综合运用上。该书以实验实践的方式支持多旋翼飞行器系统化的知识体系，将它们递进地联系起来。不仅如此，该书还借鉴了基于模型的系统工程思想，开发了软件在环仿真、硬件在环仿真和实飞的实践流程。读者可以将自己的MATLAB 代码自动生成C语言代码，下载到开源飞行器自驾仪Pixhawk 硬件系统上。通过本书的学习，我相信读者不仅能够加深对无人机和系统工程的理解，还能对课堂上的其他知识融会贯通。 《多旋翼飞行器设计与控制实践》一书的系统化知识体系和先进开发流程综合是对无人机控制领域一个及时和重要的贡献。本书适合对无人机特别是多旋翼飞行器设计与控制感兴趣的读者，也可以把本书部分实验作为专业课程的实践环节。 向锦武 北京航空航天大学教授 中国工程院院士 2020年6月 前 言 2013年前后，由于航拍的巨大需求和低成本多旋翼飞行器产品的出现，多旋翼飞行器的需求和发展开始进入爆发期，围绕着多旋翼飞行器相关的创意、技术、产品、应用和投资等新闻层出不穷。2016年至2017年，由于其市场泡沫增大和无人机干扰民航飞行的事件频发，多旋翼飞行器相关产业进入短暂的低谷期。2017年下半年开始，国家开始着手制定针对微小型无人机的法律法规、建立试验基地、研究空管系统、制定相关标准和着手教育培训。可以说，以多旋翼飞行器为代表的微小型无人机产业，进入了一个新的、有序的、有更多发展机会的阶段。随着5G的兴起，微小型无人机将会成为低空中的大数据收集平台，预计会给产业界带来7～10倍的商业机会。 多旋翼飞行器的高速发展离不开开源自驾仪的支持。无论是借助开源自驾仪，还是 全自主开发，要想将多旋翼飞行器做好，都需要研发者对多旋翼飞行器设计、建模、感知、控制和决策等全面掌握。然而，微小型飞行器开发不少始于小微企业。与传统的航空院所不同，小微企业存在人员少、经验少和资源少等问题，因此他们迫切需要一大批能够挑起大梁的总工程师和全栈式工程师。人才缺乏的一个重要原因是多旋翼飞行器发展太快，而相应的教材和课程没有跟进，也就是教育没有与时俱进。在这种形式下，可靠飞行控制研究组（http：rfly.buaa.edu.cn）于2017年在Springer出版社推出《Introduction to Multicopter Design and Control》，以及2018年在电子工业出版社推出中文译著《多旋翼飞行器设计与控制》，并且在中国大学MOOC平台（https：www.icourse163.orgcourseBUAA-1205700805）上开设了网络公开课，受到一致好评。 2017年2月以来，教育部推进新工科建设，吸引了各大高校的积极参与。相对于传统的工科，新工科更强调学科的实用性、交叉性与综合性，为未来新兴产业和新经济培养实践能力强、创新能力强、具备国际竞争力的高素质复合型人才。在2019年，国内很多高校纷纷开设了机器人工程专业，空中机器人作为一种特殊的机器人将正式成为研学的对象。多旋翼飞行器是控制科学以及空中机器人实践的一个绝佳平台（详请见《系统与控制纵横》文章全权，多旋翼飞行器控制实践的试金石，2019，6 1： 43-67）。在这个背景下，我们认识到《多旋翼飞行器设计与控制》一书只能解决目前工业界和教育界理论层面的部分问题。然而，缺乏实践过程的教学，不利于读者消化理解，离工业界要求以及新工科教育要求还有一定距离。这促使我们围绕多旋翼飞行器，继续开发新工具和新教程，让学生能够实现知行合一。 基于新形势下的考虑，本书实验采用： ① 最广泛使用的飞行平台多旋翼飞行器，作为飞行平台。 ② 最广泛使用的开源飞行器自驾仪系统PixhawkPX4，作为控制平台。 ③ 控制工程领域最广泛使用编程工具之一MATLABSimulink，作为编程语言。 利用目前的先进开发理念基于模型开发（Model-Based Design）流程，将以上三者紧密结合在一起。除了软件硬件和开发理念与时俱进，实验设置考虑到覆盖面、循序渐进以及差异化。本书包括8个实验，分别为动力系统设计、动态建模、传感器标定、滤波器设计、姿态控制器设计、定点位置控制器设计、半自主控制模式设计以及失效保护逻辑设计。这些实验覆盖了较为全面的知识面，另外，这8个实验可以按不同的递进结构完成。每个实验包括由浅入深的3个分步实验，分别为基础实验、分析实验和设计实验。每个实验循序渐进，不同背景的读者都能从中受益。 每个实验需要在MATLABSimulink中实现，并在发布的软件在环仿真平台中进行仿真测试。之后，读者需要将通过仿真测试的控制算法，通过代码的自动生成技术下载至Pixhawk自驾仪中，与给定的实时仿真软件形成闭环，进行硬件在环仿真测试。在整个过程中，读者必须熟悉整个快速开发流程，深入分析系统的组成和原理，清楚了解系统原理及PID 等设计方法，才能建立合理的数学模型，并设计合理的方案。进一步，读者需要掌握多种现代工具，如在开发和计算机仿真时需要熟练掌握MATLABSimulink和FlightGear等软件；在硬件在环仿真测试时学习硬件在环仿真软件、Pixhawk自驾仪及遥控器的使用。设计的实验还包括实飞实验，让理论真正联系实际。 基于此，本书设计的平台获得2019年第二届全国高校自动化专业青年教师实验设备设计创客大赛金奖。先进的开发工具和开发流程可以让小微企业无须将大量精力投入到多旋翼飞行器底层驱动等的开发，避免重复造轮子，而关注新算法和新功能的开发和设计，破解人员少、经验少和资源少等难题。另外，本书通过降低学习门槛，使得更多的人能够进入航空领域，最终为发展我国航空事业做出贡献。 本书可以认为是《多旋翼飞行器设计与控制》的实践版，但为了使该书能够自包含，我们将实验所需的部分理论知识内容搬到这本书。与此同时，本书的英文版《Multicopter Design and Control Practice》也已在Springer出版社同步出版。整本书从2018年初开始准备到现在，将近两年。在这两年多时间内，我们首先设计且实现本书的所有内容，之后不断地打磨，为的是更清晰展示我们设置的内容。全权设计了整本书的结构、实验流程和实验内容；戴训华设计了实验平台和开发流程；王帅按照实验流程完成了所有的实验内容。本书顺利完成离不开北京航空航天大学可靠飞行控制研究组同学们热忱的支持和帮助。首先，感谢杨兰江、刘浩和宁俊清参与了本书的实验和本书内容反复认真修改；其次，感谢刘凡宁在本科毕设期间，为本书实验流程和关键实验内容上做的基础性工作。本书曾以讲义形式在北京航空航天大学本科的课程设计（B3I034140）和研究生的课程（031574）上部分使用，以及在唐朝机器人公司（https：www.chinarobot.com）开设的面向社会的线下课程上使用。同学们给出了很多有益反馈，这里一并感谢。 本书开发的实验和工具花费了我们大量心血，为此我们保留实验和开发的工具方面的版权。实验代码和我们开发的工具在https：flyeval.comcourse可以下载，仅免费为个人使用。在该网站上，读者还可以找到线上线下实验课程以及教具信息。在未经北京航空航天大学可靠飞行控制研究组授权下，任何公司和个人不允许将本书及附带代码和工具，作为教育产品进行销售，否则必将追究法律责任。关于本书存在的问题和版权可通过官 网：https：flyeval.comcourse联系我们。 全权 北京航空航天大学新主楼 2020年6月

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