多旋翼无人机远程控制实践- 习题及答案汇总 全权 第1--8章 绪论 --- 避障控制器设计实验.docx

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1、第1章绪论一、填空题1 .按飞行环境和工作方式的不同，飞行器可以分为航空器、航天器、火箭和导弹。2 .无人驾驶飞机是由动力驱动、机上无人驾驶的航空器，简称“无人机”。3 .多旋翼主要有两种控制方式：半自主控制方式和全自主控制方式。4 .直升机有四个控制输入，分别是一周期变距杆、总距操纵杆、航向、油门。5 .无论从教育还是科研的角度来看，多旋翼系统都是一个非常好的研究对象。二、简答题1 .“无人机”与“航模”之间有什么区别？答：（1）组成不同。一般来说，小型无人机的组成比航模更复杂。无人机系统由机架、动力系统、自驾仪、任务系统、通信链路系统和地面站等组成。航模主要包括机架、动力系统、简单的自稳系

2、统、遥控器及接收系统等。操控方式不同。无人机是由机载电脑自动控制或者是由地面或其他飞机上的飞行器操纵人员远程控制，而航模一般由操纵人员遥控操纵实现飞行。（3）用途不同。无人机更偏向于军事用途或民用特种用途，一般用来执行特殊任务。而航模更接近于玩具。2 .简述多旋翼系统的特点和未来研究需求。答：（1）多旋翼除了能够由自驾仪自主控制飞行，还能由操作员通过地面站或者遥控器（对应于信息与通信工程学科进行远程控制。因此，我们希望通信链路安全可靠，并且不被黑客攻破。此外,还有研究者通过检测通信链路来追踪遥控多旋翼的操作员，从而查处违法飞行。（2）多旋翼本身涉及很多电子设备（对应于电子科学与技术学科）。我们

3、希望电子电路稳定可靠，不受外界电磁辐射影响。同时希望机载嵌入式处理器具有更丰富的计算资源，功耗和重量越小越好。（3）多旋翼系统需要软件环境来运行控制算法（对应于计算机科学与技术学科）,一般需要实时操作系统（RCaI-TimeOperatingSytem,RTOS）来提供软件运行环境并提供与机载硬件通信的接口。例如，著名的开源自驾仪软件PX4运行在-一个轻量级实时操作系统Nuttx之上。（4）在多旋翼设计上，需要考虑材料、布局和结构（对应于力学、机械工程学科），还要考虑动力系统选型（对应于力学、电气工程学科）等。我们希望结构轻而稳固;机身设计成流线型用于高速飞行;螺旋桨和电机匹配，从而达到最高效

4、率。（5）在状态估计上需要考虑多个传感器（如GPS、陀螺仪、加速度计、磁力计、气压计、超声波测距仪、光电传感器等）信号不同步、采样周期不相同、数据延迟以及传感器出现异常等问题，最终鲁棒且高性能地估计相应状态（对应于仪器科学与技术学科）O（6）多旋翼作为一个典型的闭环控制系统（对应于控制科学与工程学科），具有很.多有趣的特性，例如它是-一个不稳定、非线性、欠驱动和执行器控制量受限（螺旋桨只能产生正向垂直于机身平面的拉力）系统。它不像固定翼飞行器和直升机那样需要较高的气动设计要求，降低了建模、分析和控制难度，让-一般非航空院校的初学者或者工程师能迅速上手使用，因此它是研究空中运动体控制的绝佳平台。

5、（7）多旋翼价格便宜，飞行实验简单，可以较为容易地得到大量相关飞行数据，这也为多旋翼的健康评估提供了较好的基础条件。3 .多旋翼设计和控制属于复杂工程问题，它完全覆盖工程教育认证标准所有内容，请进行简要说明。答：(1)工程知识。多旋翼各类需求的建模以及滤波、控制和决策算法设计可以体现“能够将数学、自然科学、工程基础和专业知识用于解决复杂工程问题:(2)问题分析。多旋翼建模和算法设计以及调试可以体现“能够应用数学、自然科学和工程科学的基本原理，识别、表达、并通过文献研究分析复杂工程问题，以获得有效结论”。(3)设计/开发解决方案。多旋翼整个系统设计以及测试飞行可以体现“将能够设计针对复杂工程问题

6、的解决方案，设计满足特定需求的系统、单元(部件)或工艺流程”。因为多旋翼具有危险性，需要使用者遵守相关法律法规，进行合法测试和飞行，可以体现“并能够在设计环节中体现创新意识，考虑社会、健康、安全、法律、文化以及环境等因素”。(4)研究。多旋翼建模和算法设计可以体现“能够基于科学原理并采用科学方法对复杂工程问题进行研究，包括设计实验、分析与解释数据，并通过信息综合得到合理有效的结论”。(5)使用现代工具。在多旋翼系统开发过程中，需要很多工具，例如机体设计分析工具、流体分析软件、力学测试工具，操作系统，算法设计工具，还可能需要硬件在环仿真等快速原型开发工具，这可以体现“能够针对复杂工程问题，开发、

7、选择与使用恰当的技术、资源、现代工程工具和信息技术工具,包括对复杂工程问题的预测与模拟,并能够理解其局限性”。(6)工程与社会。需要设计者有一定的创新能力，挖掘多旋翼的应用场景。这能体现“能够基于工程相关背景知识进行合理分析，评价专业工程实践和复杂工程间题解决方案对社会、健康、安全、法律以及文化的影响，并理解应承担的责任”。(7)个人和团队。多旋翼开发一般需要一个小型团队，这很好地满足了“能够在多学科背景下的团队中承担个体、团队成员以及负责人的角色”这一需求。(8)沟通。对于多旋翼作品的展示，需要读者有相应的能力。这能够体现“就复杂工程问题与业界同行及社会公众进行有效沟通和交流，包括撰写报告和

8、设计文稿、陈述发言、清晰表达或回应指令。同时具备-定的国际视野，能够在跨文化背景下进行沟通和交流”。第二章仿真和实验平台一、简答题1 .一套可完成基本飞行任务的硬件平台包括哪些？答：(1)室内定位系统:包括主机和位置捕捉单元。在室内环境无法使用卫星定位时，室内定位系统解决了卫星信号到达地面时较弱、不能穿透建筑物等问题。主机用于运行与室内定位系统相关的软件，本书使用的是光学室内定位系统，除此之外还可以使用超宽带定位技术(UWB)等。位置捕捉单元能够实时捕获多旋翼的位置和姿态信息，并通过主机以广播的形式发送出去。计算机:一台装有操作系统的高性能个人计算机或者工作站，装有MAT1AB/Simu1in

9、k、CIFER.FIightGcar、CopterSim和RfIySim3D等软件。一方面，它可以用来完成各种仿真实验;另一方面，它也是实际飞行实验的地面控制站，用于接收主机广播出来的多旋翼的位置和姿态反馈，进而完成多旋翼通信与控制等任务。(3)带半自主飞控的多旋翼：该多旋翼带有特殊功能，可以通过一些接口设备来连接计算机(工作站)，从而实现多旋翼速度、位置与角度等外部控制。该指令不需要对多旋翼进行遥控器校准或者模态设置，直接给定指定的速度或位置即可,(4)自驾仪:也称为飞行控制板,或简称为飞控,它作为控制算法的运行平台,用于硬件在环仿真。自驾仪具有丰富的传感器和强大的计算性能，来获取飞行状态并

10、计算输出给动力系统的控制指令,实现多旋翼的飞行控制。本书选用目前应用广泛的PiXhaWk系列开源自驾仪，这是一个独立的开源硬件项目，致力于为教育、爱好和开发者提供易用、高品质且低成本的自驾仪硬件。针对不同的飞行任务、性能和成本需求，Pixhawk提供了一系列的自驾仪硬件产品，极大地推动了多旋翼行业的发展。2 .简述仿真系统的一些关键特性。(1) “控制器”子系统模块在输入/输出与反馈信号的形式.上是与真实的自驾仪硬件保持一致的。例如，本例子的输入是模拟来自遥控器的俯仰角、滚转角、偏航角和高度控制指令；输出是给多旋翼模型的电机PWM信号。(2) “控制器”本身使用传感器估计状态(姿态、角速度、位

11、置、速度等状态信息)来实现多旋翼的稳定姿态控制。(3) “多旋翼模型”子系统与真实的多旋翼的输入/输出接口保持一致，输入是8个电机(多旋翼模型会根据选定机型选择实际使用的电机数目)的PWM控制信号(数据范围是100(2000,对应了0的油门指令)，输出是各种传感器的数据。(4) wF1ightGear接口”子系统可以将飞行信息传输到FIightGear中，逼真地展现多旋翼当前的飞行轨迹与姿态信息。3.四旋翼的整个控制器模块的计算过程大体分为五个步骤，依次对应五个模块，请具体阐述。答：(1)“输入接口”模块:接收遥控器信号和飞行器状态观测信号。第广5号输入端口对应了遥控器的五个通道的输入(“ch

12、i”“ch5)；第68号输入端口对应了来自陀螺仪传感器的滚转、俯仰和偏航方向的角速度(“P”、q”和“r”)；第910号端口对应了滚转角和俯仰角(“phi”和“theta”)。(2) “遥控信号处理”模块:将遥控器的五个通道信号映射为期望的滚转和俯仰角度。(3) “姿态控制器”模块:计算期望输出力和力矩大小来控制多旋翼姿态到期望角度。(4) “电机控制输出分配”模块:将力和力矩的控制量映射为四个电机的油门控制量(一般是0D0(5) “输出接口”模块：将剩余的四维控制量补齐并映射出PWM调制信号(一般是10002000us),构成八维(根据自驾仪硬件上的PWM输出口数)的PWM控制信号作为输出。

13、4 .简述多旋翼模型子系统的七个主要模块。(1)电机模块:模拟电机动态；.(2)力和力矩模块:模拟螺旋桨拉力、机身气动力、自身重力以及地面支撑力等所有的外部力和力矩：(3)刚体运动动态模块：计算多旋翼的速度、位置、姿态等运动学状态；(4)环境模块:计算环境数据，如重力加速度、空气密度、风干扰和地磁场等；(5)故障模块：主要用于注入模型不确定(质量和转动惯量有关的)和故障数据；(6)电池模块:模拟电池的放电过程；输出接口模块:将数据打包成需要的格式。5 .MAT1AB控制模型由哪些部分组成？答：(1)“状态获取模块:通过此接口模块，多旋翼可以接收室内定位系统反馈的飞行器位置和姿态信息。(2) “

14、路径生成器”模块:此模块产生给多旋翼的期望位置和偏航角，若需要执行其他的飞行任务，可以在此模块中修改期望的轨迹。(3) “控制器”模块;此控制器的输入是期望的位置，输出是期望的速度和偏航角速率。(4) “控制指令发送”模块:此接口模决将控制器的输出发送给多旋翼。(5) “数据存储”模块:将多旋翼飞行过程中的实际状态和期望状态保存到MAT1AB工作空间中，可用于分析飞行状态。(6) “电量查看”模块:可以看到每个多旋翼的剩余电量百分比。(7) “实时控制”模块:此UAT1AB模型的运行速度快于实时时间，加入这个实时模块保持MAT1AB运行速度与实际时间一致。第3章实验流程一、填空题1 .每个实验

15、分为由浅入深的四个分步实验，即基础实验、分析实验、设计实验和实飞实验。2 .仿真1.0采用的模型是简化的线性模型，通常是利用系统辨识得到的，可以用于模拟模型开发;而仿真2.0采用的模型是高逼真的非线性模型,用于模拟模型开发到真实飞行器上的迁移。3 .仿真阶段需要经历“仿真1.0仿真2.0一硬件在环仿真”。4 .输出数据是对多旋翼模型的直接控制指令，也就是速度指令和偏航角速率指企。5 .为了实现多旋翼运动状态的实时反馈，需要在室内定位系统中建立多旋翼的模型。二、简答题1 .实验一般分为哪些步骤？答：(1)基础实验:打开例程，阅读并运行程序代码，然后观察、记录结果并分析数据。(2)分析实验:指导读

16、者修改例程，运行修改后的程序并收集和分析数据。(3)设计实验:在完成上述两个实验的基础上,针对给定的任务，进行独立设计。(4)实飞实验:在设计实验的基础上，针对给定的任务，进行独立的设计并运用于真实的多旋翼。2 .简述仿真实验的注意事项。本书中的仿真模型均在UAI1ABR2017b版本中运行，所以需要读者计算机中的版本为R2017b及以上。(2)所有的仿真模型均需要设定固定的仿真步长。在Simu1ink界面的上方菜单栏中单击Mode1ConfigurationParameters”进入如图3.10所示的界面，在其中单击wSo1verw-rtS1overoptions-*Type,在下拉菜单中选择wFi