多旋翼飞行器理论与实践系列实验
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课程介绍

近年来,无人机市场可谓风生水起,无人机在个人消费、植保、测绘、安防、电力等领域得到广泛应用,在国民经济和社会生产生活中正发挥越来越重要的作用。多旋翼无人机以优良的操控性能和可垂直起降的方便性等优点,迅速获得了广大消费群体的关注,成为迄今为止最热销的产品。

迄今为止,系统性讲述多旋翼无人机设计与控制的资料少之又少,深蓝学院联合北京航空航天大学全权老师,推出多旋翼飞行器理论与实践系列实验在线课程。课程共包含8章,讲授多旋翼设计、动态模型建立、状态估计、控制和决策等方面的基础理论,以及仿真实验;每章节均按照基本原理、基础实验、分析实验、设计实验、总结5个部分进行讲解。

 

实验设置

每个实验由浅入深包含基础实验、分析实验、设计实验三个部分。除三部分内容均需进行数字仿真,还分别有不同的侧重点。

1. 基础实验:主要考察学员对实验的熟悉程度,对所提供的例程进行运行、熟悉;

2. 分析实验:主要考察学员的分析能力,学员能够将理论联系实际进行合理分析即可;

3. 设计实验:主要考察学员的设计能力,基于基础实验、分析实验提供的例程进行设计开发。

通过系列实验,希望学员熟悉整个快速开发流程,熟悉并深入分析系统的组成和原理,建立合理的数学模型,通过了解系统原理及设计方法,进行合理的方案设计,掌握多种现代工具(MATLAB和Simulink软件、FlightGear软件)

 

讲师简介

全权,北京航空航天大学副教授,可靠飞行控制研究组负责人,获北京市青年英才计划支持,校“拔尖优秀人才计划”支持等。著有《多旋翼飞行器设计与控制》一书,发表文章80多篇,其中顶级或者主流SCI期刊40篇。

 

课程章节

前   言:课程介绍
第一章:多旋翼飞行器动力系统设计实验
1.1 基本原理
1.2 基础实验
   1.2.1 用网站http://flyeval.com/paper/适配出飞行大于10分钟的三旋翼、三轴六旋翼、四旋翼、六旋翼、四轴八旋翼和八旋翼各一架,分别并列出该飞行器的所有飞行参数及基本飞行性能参数
1.3 分析实验
   1.3.1 悬停时间详细计算过程
   1.3.2 分析海拔、温度对悬停时间的影响
   1.3.3 分析螺旋桨大小和个数对悬停时间的影响
1.4 设计实验
   1.4.1 完成给定条件下的多旋翼动力系统设计
第二章:多旋翼飞行器动态模型建立实验
2.1 基本原理
2.2 基础实验
   2.2.1分析多旋翼总质量、转动惯量矩阵、多旋翼机身半径(1/2轴距)、螺旋桨推力系数、螺旋桨力矩系数、油门到电机稳态转速参数、电机螺旋桨转动惯量、电机响应时间常数变化,对整个飞行产生的影响
2.3 分析实验
   2.3.1 计算多旋翼悬停时的平衡点,并在平衡点对多旋翼动态模型进行线性化
2.4 设计实验
   2.4.1 在Matlab上建立完整的多旋翼无人机模型
   2.4.2 在FlightGear中添加四旋翼模型
第三章:多旋翼飞行器传感器标定实验
3.1 基本原理
3.2 基础实验
   3.2.1 完成加速度计的标定,并将绘制标定前后的指标对比图。
3.3 分析实验
   3.3.1 将重力加速度的值由9.8改为1,再次进行校正,计算出各自的姿态角,体会两种方式对校正参数产生的影响,并分析结果对角度计算的影响
3.4 设计实验
   3.4.1 根据给出的磁力计误差模型,设计磁力计数据采集模型,完成磁力计的标定,并绘制标定前后的指标对比图
第四章:多旋翼飞行器滤波器设计实验
4.1 基本原理
4.2 基础实验
   4.2.1 采集加速度计和陀螺仪数据,按步骤完成互补滤波
4.3 分析实验
   4.3.1 分析互补滤波器参数对滤波效果的影响
4.4 设计实验
   4.4.1 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
第五章:多旋翼飞行器姿态控制器设计实验
5.1 基本原理
5.2 基础实验
   5.2.1 完成四旋翼飞行器的Simulink仿真,了解控制分配器的作用
   5.2.2 查看姿态的阶跃响应,并对系统进行扫频以绘制Bode图,分析其稳定裕度
5.3 分析实验
   5.3.1 调节PID控制器的相关参数以改善上述两个指标,试得到一组最优参数
   5.3.2 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
5.4 设计实验
   5.4.1 建立姿态控制通道的传递函数模型,设计校正控制器使系统达到指定指标
第六章:多旋翼飞行器位置控制器设计实验
6.1 基本原理
6.2 基础实验
   6.2.1 了解通道解耦的作用
   6.2.2 对系统进行扫频以绘制bode图,分析其稳定裕度分析实验
6.3 分析实验
   6.3.1 观察系统输出曲线,分析超调量,调节时间
   6.3.2 调节PID控制器的相关参数以改善上述两个指标,试得到一组最优参数
6.4 设计实验
   6.4.1 建立位置控制通道的传递函数模型,使用Matlab ControlSystemDesigner设计校正控制器
第七章:多旋翼飞行器半自主模式飞行设计实验
7.1 基本原理
7.2 基础实验
   7.2.1 在自稳模式下,手动控制飞行器,记录飞行过程中期望姿态与实际姿态的关系;以及期望姿态为0时,实际位置的值;以及油门杆都回中时,实际位置的值
7.3 分析实验
   7.3.1 在自稳模式的基础上改成定高模式。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
7.4 设计实验
   7.4.1 在自稳模式的基础上改成定点模式。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
第八章:多旋翼失效保护逻辑设计实验
8.1 基本原理
8.2 基础实验
   8.2.1 在Simulink仿真环境中,在手动模式下,实现飞行器的返航和着陆,并记录和分析过程
8.3 分析实验
   8.3.1 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
8.4 设计实验
   8.4.1 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个状态,完成状态机的设计
   8.4.2 在设计新添状态时,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,先进行返航,再进行着陆,加入新的判断条件,实现上述目标

 

授课教师

北京航空航天大学副教授

关于课程

报名方式

添加工作人员微信新月(shenlan_xinyue),咨询详情。

 

学习方式

1、课程的课件、代码及其它学习资料可以下载;课程视频可以随时观看; 

2、如需缓存视频,可下载深蓝学院安卓版APP或IOS版APP;

3、请同学们留出 1-3 个小时左右的时间用于课程习题,以更好的吸收课程知识

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