安柏瑞德学生和湾流工程师在Arduino平台上设计和实现嵌入式飞行控制系统

挑战

使航空航天工程学生能将制导、导航和控制理论付诸实践

解决方案

为ArduPilot金宝app Mega硬件开发一个Simulink模块集,学生可以使用它在一个学期内设计、模拟、实现和测试一个无人机飞行控制系统

结果

  • 专注于恢复的核心概念
  • 飞行测试前验证控制律
  • 现实世界的经验获得

“由目前的Embry-Riddle学生开发,他们也是湾流的工程师,以改善未来学生的教育体验,新的Simulink模块增加了对ArduPilot硬件的支持,并强调了Embry-Riddle和湾流之间的关系的价值。”金宝app金宝app

Hever Moncayo博士,Embry-Riddle航空大学
安柏瑞德的学生用来测试嵌入式控制系统的天行者无人机。

安柏瑞德航空大学和湾流航空航天公司的工程师已经开发了一种Simulink金宝app®该项目使Embry-Riddle的学生能够在Simulink中开发自主飞行控制系统,并在完全可编程的Arduino Mega 2560兼容板上实现这些系统,并在小型无人机(uav)上进金宝app行测试。这些工程师正在安伯里-里德尔攻读航空航天工程硕士学位,同时在湾流公司全职工作。他们创建了Simulink模块,使同学们能够应用导航、控制(GNC)理论,而不必陷入低级编程和硬件接口细节的困境。金宝app

飞行控制系统的设计、仿真和实现是集成MATLAB的航空航天课程的关键元素®和Sim金宝appulink应用到本科和研究生水平的课程中。“在安柏瑞德的航空航天工程系,从本科课程到硕士学位课程,许多课程都是基于MATLAB和Simulink的,”安柏瑞德的助理教授Hever Moncayo博士说。金宝app“我们的方法的一个优势是,学生可以利用在以前的课程中获得的经验——飞行动力学和控制等主题——来设计和实现真实的系统。”

挑战

当湾流公司的工程师François Hugon和Robert Hartley在Embry Riddle学习研究生水平的GNC课程时,他们从事了一个学期的项目,为天行者无人机设计和实现飞行控制系统。学生们面临着集成和校准许多板级传感器和设备的挑战。他们还必须用C语言开发传感器接口固件和一个基本的操作系统,几乎没有时间设计和测试飞行控制软件。

“我们花了大量时间编写和调试数百行C代码,以访问和处理传感器输出数据,用于控制飞机,这门课的总体目标几乎不可能在一个学期内实现,”Hartley回忆说。“我们想要消除低水平的计算机和软件工程方面的知识,这样下一个学习这门课程的学生就可以专注于GNC设计,并在真实的飞行测试中测试他们的飞行控制系统。”

解决方案

这两名工程师是研发ArduPilot Mega 金宝appSimulink模块通过在天行者无人机上的飞行测试来改进和验证它。

该模块集包含用于访问GPS、加速度计、磁力计和其他ArduPilot传感器的组件。Hugon和Hartley以开源版本的代码为起点,用C语言开发了每个模块的传感器接口代码。然后,他们根据测试数据改进代码,并将其包装在s函数中,以便可以在Simulink模型中使用。金宝app

工程师们通过使用该模块实现了他们开发的作为Embry-Riddle GNC课程的一部分的控制系统,证明了该模块的功能。该系统还包括导航算法、卡尔曼滤波估计算法和在Simulink中建模的控制律。金宝app

为了准备闭环模拟,他们在Simulink中创建了无人机的植物模型。金宝app在这门课飞行动力学与控制在美国,Embry-Riddle大学的学生使用Simul金宝appink为其他飞机创建类似的飞行动力学模型。

工程师在Simulink中使用ArduPilot Mega模块进行仿真,以设计金宝app和调整他们的飞行控制模型。金宝appSimulink对目标硬件金宝app的内置支持使他们能够将飞行控制模型直接加载到ArduPilot Mega硬件上,以便在飞行测试中使用。他们从简单的功能开始,在飞行过程中收集数据,在MATLAB中分析数据,并根据结果完善仿真和控制解决方案。在仅仅六次试飞之后,学生们就能够最终完成模拟和控制解决方案。

在最后一次试飞中,这架飞机自主导航了一条有12个航路点的航线。

Moncayo教授在自己的研究中使用ArduPilot Mega模块集来制造低成本无人机,用于容错飞行控制系统的初始测试。预计Embry-Riddle的学生也将在即将到来的GNC课程中使用它。

结果

  • 专注于恢复的核心概念.Moncayo说:“以前,GNC课程的学生花了太多的时间在C语言编程和处理低级硬件问题上。“现在,C语言编程不是必需的;学生们使用Simulink金宝app来应用他们在课堂上学到的概念来开发一个真正的飞行控制系统,并观看它在飞行中的表现。”

  • 飞行测试前验证控制律.“Simulink中的模拟非常关金宝app键,因为它们使我们能够在一个仪表化的无风险环境中测试我们的控制法则,”Hartley说。“在行业中,我们进行广泛的模拟;它们比试飞更快、成本更低,而且更容易理解控制系统的性能,而不会让机组人员面临不必要的风险。”

  • 现实世界的经验获得.Moncayo说:“模拟至关重要,但没有模拟能够捕捉到所有真实世界的影响,包括天气、传感器退出和不可预见的硬件限制。“有了新的模块集和Simulink对目标硬件的支持,学金宝app生们超越金宝app了模拟,并将理论应用到实际系统中。”

Embry-Riddle航空大学是世界上提供校园范围内的MATLAB和Simulink的1300所大学之一。金宝app通过校园范围许可,研究人员、教师和学生可以访问最新版本的产品的公共配置,以便在教室、家中、实验室或实地使用。下载188bet金宝搏