王玲玲，富立

摘要：為了豐富導(dǎo)航專業(yè)課程設(shè)計(jì)和綜合實(shí)驗(yàn)的教學(xué)內(nèi)容，設(shè)計(jì)了導(dǎo)航控制一體化的單旋翼飛行器綜合實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)，并采用虛擬儀器搭建了該實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)的數(shù)據(jù)分析和導(dǎo)航控制程序?；谠搶?shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)新增了嵌入式導(dǎo)航算法設(shè)計(jì)、PID和抗擾動(dòng)控制算法比較等實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，取得了較好的教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞：虛擬儀器；導(dǎo)航控制；實(shí)驗(yàn)平臺(tái)；綜合實(shí)驗(yàn)

中圖分類號(hào)：U666.1 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2017）48-0277-02

一、引言

課程設(shè)計(jì)和綜合實(shí)驗(yàn)是北航自動(dòng)化專業(yè)本科實(shí)踐教學(xué)的重要環(huán)節(jié)。近幾年，在校、院、系各級(jí)領(lǐng)導(dǎo)關(guān)懷和大力支持下，教學(xué)過(guò)程沖破傳統(tǒng)觀念束縛，結(jié)合專業(yè)特點(diǎn)進(jìn)行了大膽探索，注重多學(xué)科之間的融合，研制了基于虛擬儀器的單旋翼無(wú)人飛行器導(dǎo)航控制實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，將慣性信息、導(dǎo)航與控制融為一體，既豐富了課程設(shè)計(jì)和綜合實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，又實(shí)現(xiàn)了學(xué)生與實(shí)驗(yàn)對(duì)象之間的交互式操作，為提高學(xué)生的創(chuàng)新實(shí)踐能力奠定了基礎(chǔ)[1-4]。

二、單旋翼無(wú)人飛行器導(dǎo)航控制實(shí)驗(yàn)平臺(tái)結(jié)構(gòu)分析

考慮到單旋翼無(wú)人飛行器導(dǎo)航控制實(shí)驗(yàn)平臺(tái)在教學(xué)過(guò)程中的具體應(yīng)用，為了提高實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的運(yùn)行效率，將其分為了兩部分：空中部分和地面控制系統(tǒng)部分，如圖1所示。

其中空中部分為單旋翼無(wú)人飛行器本體，主要包括碳纖維材質(zhì)的飛行器框架、慣性測(cè)量組件、電機(jī)、馬達(dá)、驅(qū)動(dòng)器等；地面部分主要是基于虛擬儀器開發(fā)的具備可重復(fù)編程、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)飛行器狀態(tài)、靈活可靠的地面控制系統(tǒng)，包括數(shù)據(jù)采集設(shè)備、PWM輸出設(shè)備、無(wú)刷電機(jī)控制器等?？罩泻偷孛娌糠种g的通信通過(guò)Wifi無(wú)線傳輸實(shí)現(xiàn)。

三、基于虛擬儀器的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.虛擬儀器功能與應(yīng)用。利用LABVIEW可為用戶提供靈活交互的可編程界面，單旋翼無(wú)人飛行器導(dǎo)航控制實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的地面控制系統(tǒng)采用了NI-9401，NI-9474和NI CRIO-9074，分別作為無(wú)人飛行器信號(hào)采集卡、PWM 輸出卡和遠(yuǎn)程飛行控制卡。其中作為地面控制系統(tǒng)主要部件的NI CRIO-9074控制器由CompactRIO套件組成，包括嵌入式實(shí)時(shí)控制器、底層FPGA開發(fā)包和豐富的I/O端子，分別可通過(guò)基于主機(jī)的LABVIEW圖形化編程語(yǔ)言操作。為了提高無(wú)人機(jī)中傳感器的數(shù)據(jù)采樣率及信息預(yù)處理效率，采用底層FPGA模塊實(shí)時(shí)采集相關(guān)信息并處理。

2.基于LABVIEW的控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。虛擬儀器構(gòu)建的地面控制系統(tǒng)除了完成慣性信息的采集和處理外，還需要實(shí)現(xiàn)對(duì)空中無(wú)人飛行器的控制。因此，需要通過(guò)Labview編程實(shí)現(xiàn)控制算法，并通過(guò)無(wú)線傳輸方式控制飛行器的運(yùn)行狀態(tài)。在建立無(wú)人飛行器動(dòng)態(tài)模型基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了基于PID和抗擾動(dòng)控制器相結(jié)合的旋翼無(wú)人機(jī)姿態(tài)控制算法如圖2所示：

通過(guò)在線調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)的增益參數(shù)可實(shí)現(xiàn)對(duì)旋翼無(wú)人機(jī)的穩(wěn)定控制?？梢暬绦蚣霸诰€調(diào)試方式增強(qiáng)了學(xué)生的直觀性認(rèn)識(shí)，為學(xué)生對(duì)比不同控制算法的控制效果提供了有利條件。

四、應(yīng)用情況及改進(jìn)

導(dǎo)航控制的專業(yè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目之前比較單一化，主要是以捷聯(lián)導(dǎo)航算法的驗(yàn)證為主，并未與控制領(lǐng)域知識(shí)點(diǎn)相銜接?；谔摂M儀器的單旋翼無(wú)人飛行器導(dǎo)航控制實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的應(yīng)用，在涵蓋以前所有專業(yè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的基礎(chǔ)上，不僅豐富了專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，關(guān)鍵是實(shí)現(xiàn)了信息處理、導(dǎo)航、控制學(xué)科間的融合，增開了嵌入式導(dǎo)航算法的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)、控制方法的在線調(diào)試與設(shè)計(jì)、無(wú)人飛行器懸?？刂品椒ǖ谋容^等多項(xiàng)專業(yè)綜合實(shí)驗(yàn)，極大地激發(fā)了學(xué)生的實(shí)驗(yàn)興趣，使更多的學(xué)生在創(chuàng)新思維、創(chuàng)新能力方面得到鍛煉。目前該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)已經(jīng)在導(dǎo)航專業(yè)課程設(shè)計(jì)與綜合實(shí)驗(yàn)中為三屆學(xué)生提供了便利，獲得學(xué)生的一致好評(píng)。作為新開發(fā)的實(shí)驗(yàn)設(shè)備，該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)在目前的教學(xué)過(guò)程中已初見成效?？紤]到未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)，此后將研制多套單旋翼無(wú)人飛行器導(dǎo)航控制實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)單旋翼無(wú)人飛行器群之間的協(xié)同控制。

參考文獻(xiàn)：

[1]王文花.深化實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的途徑[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2005，24（6）：11-13.

[2]謝新開.自動(dòng)化專業(yè)綜合實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革探析[J].實(shí)驗(yàn)科學(xué)與技術(shù)，2009，（10）：102-104.

[3]黃愛(ài)民.對(duì)建立實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系的思索[J].實(shí)驗(yàn)室科學(xué)，2003，（5）：17-19.

[4]馮毅萍.自動(dòng)化實(shí)踐類課程成績(jī)綜合評(píng)定創(chuàng)新研究[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2006，23（3）：19-21.endprint