多旋翼無人機遠程控制實踐 課件 第7、8章 路徑跟隨控制器 設計實驗、避障控制器設計實驗

路徑跟隨控制器設計實驗多旋翼無人機遠程控制實踐第7章01實驗原理基本介紹多旋翼的路徑規(guī)劃是指，在滿足多旋翼機動性能及飛行環(huán)境的約束下，尋找從起始點到目標點的最優(yōu)飛行軌跡。它是多旋翼任務規(guī)劃系統(tǒng)的關鍵技術，也是多旋翼實現(xiàn)自主飛行的技術保障。其主要功能包括:在飛行前，幫助任務規(guī)劃人員為即將執(zhí)行任務的多旋翼選擇一條最優(yōu)的路徑;在飛行過程中，能夠在一定程度上根據(jù)現(xiàn)場情況進行在線路徑重規(guī)劃。規(guī)劃出來的路徑作為多旋翼飛行的參考路徑，引導多旋翼在控制律的作用下完成飛行任務。飛向航行點并沿航線飛行原理在多旋翼執(zhí)行噴灑藥物或者電線巡線任務時，會要求多旋翼能夠嚴格壓著航線進行飛行，如圖7.1所示。02基礎實驗實驗步驟實驗模型介紹(1)整體模型。打開Simulink文件“e4\e4.1\sim1.0\e41TF_TrajectoryPlanningSegment.slx”，得到整體模型，如圖7.2所示。實驗步驟實驗模型介紹(2)控制輸入模塊。打開控制輸入模塊，其內(nèi)部結構如圖7.3所示。實驗步驟仿真1.01)步驟一:參數(shù)初始化。運行文件”，并打開相應的模型，按照實驗目標要求設定初始坐標與終點坐標進行參數(shù)初始化。2)步驟二:實驗數(shù)據(jù)及分析。打開Simulink文件，其中的文件與“e4\e4.1sim1.0”基本相同，區(qū)別在于這里替換多旋翼模型為非線性模型。采用與仿真1.0完全相同的實驗步驟，將兩種模型的關鍵結果進行對比。從對比結果可以看出，我們采用系統(tǒng)辨識獲得的傳遞函數(shù)模型進行路徑跟蹤控制器設計，可以產(chǎn)生與基于非線性模型設計非常接近的效果。同時，也可以在FlightGear中查看仿真飛行效果。仿真2.0實驗步驟03分析實驗實驗步驟步驟一：參數(shù)初始化步驟二：參數(shù)修改仿真1.0實驗步驟仿真1.0實驗步驟實驗步驟實驗步驟仿真2.004設計實驗實驗設計實驗原理實驗設計1、整體模塊打開Simulink文件“e4)e4.3sim1.0e43TFTrajectoryPlanningCercleslx”，如圖7.19所示。實驗原理實驗設計2、控制輸入模塊高度通道和偏航通道模塊與基礎實驗一致。對于水平方向的兩個通道，單擊圖7.19中的“Controller”模塊查看完整代碼，其中的關鍵代碼如表7.2所示。實驗原理實驗步驟步驟一:參數(shù)初始化運行“e4)e4.3\sim1.0StartSimulationm”和“e44.3sim1.0)e43TFTrajectoryPlanningcodem”，并初始化參數(shù)，路徑跟隨控制器運行的必要參數(shù)如表73所示。然后只需打開模型文件“e4e4.3)sim1.0e43TFTrajectoryPlanning_Cercleslx”，按照實驗目標的要求設定好需要跟隨軌跡的原點坐標、半徑以及路徑跟隨控制器中相應的參數(shù)值即可。最后運行模型文件。仿真1.0實驗步驟步驟二:參數(shù)修改選取參數(shù)進行實驗，獲得不同的結果，分別進行保存。水平前向通道以及水平側向通道的路徑跟隨控制器輸出時間曲線的對比圖7.21至圖7.22所示。從圖中可以看出，無論參數(shù)如何修改，兩個通道的期望輸出曲線均明顯存在大約為半個周期的相位差，達到了實驗目標的要求。仿真1.0實驗步驟實驗步驟打開“e4e4.3sim2.0”Simulink文件，其中的閉環(huán)系統(tǒng)結構與“e4)e4.3\sim1.0”中的相同，而區(qū)別在于其中的模型為非線性模型。采用與傳遞函數(shù)模型實驗中完全相同的實驗步驟，將兩種模型的關鍵結果進行對比,從對比結果可以看出，我們采用系統(tǒng)辨識獲得的模型進行路徑跟隨控制器設計，可以產(chǎn)生與基于非線性模型設計非常接近的效果。仿真2.0實驗步驟首先準備好自駕儀，打開RflySim，同時打開MATLAB，運行“StartSimulation始化文件。運行后，再打開并運行Simulink模型文件“e43Model_TrajectoryPlanningHTIL20176”，便可以在RflSim3D軟件中看到硬件在環(huán)仿真的效果。硬件在環(huán)仿真05實飛實驗實驗步驟步驟一:整體模塊介紹在MATLAB中單擊運行“starttellom”文件進行初始化以及啟動相應的Simulink程序“e44trajectory_planningslx”文件。步驟二:系統(tǒng)啟動流程(1)啟動OptiTrack(2)啟動tellodriver(3)起飛Tello(4)運行MATLAB控制程序(5)降落Tello仿真1.0實驗步驟步驟三：實驗結果分析仿真1.0避障控制器設計實驗多旋翼無人機遠程控制實踐第8章01實驗原理問題描述在實際工程中，多旋翼需要具有避開靜態(tài)障礙物和移動障礙物的能力。因此，這一節(jié)將基于已知的航路點和障礙物位置，設計一個避障算法。02基礎實驗實驗設計根據(jù)8.1節(jié)原理分析，需要建立如圖8.4所示的模型。具體地，“障控制器”模塊用于生成期望位置或實時航路點，“跟蹤控制器”模塊用于跟蹤給定位置，“多旋翼”模塊是仿真1.0中的線性模型或者仿真2.0中的非線性模型。實驗設計控制輸入模板打開圖8.5中的“ControlInput”模塊，控制輸入模塊內(nèi)部如圖8.6所示。進一步打開該控制輸入模塊，可以看到如圖8.7所示的內(nèi)部結構。因為本次實驗只考慮二維水平方向的避障問題，并且讓機頭朝一個方向不變。因此，將高度和偏航設定為固定不變值再對水平前向通道和水平側向通道進行控制。實驗設計整體模型實驗設計實驗設計實驗設計實驗設計控制器模塊該模塊也稱為跟蹤控制器，用于跟蹤避障控制器的輸出。根據(jù)實驗原理部分的分析可知，式(8.3)能解決避障問題，并且可以寫成式(8.11)所示的PD控制器形式。多旋翼模塊該模塊也稱為跟蹤控制器，用于跟蹤避障控制器的輸出。根據(jù)實驗原理部分的分析可知，式(8.3)能解決避障問題，并且可以寫成式(8.11)所示的PD控制器形式。實驗步驟步驟一：參數(shù)初始化步驟二：修改目標位置仿真1.0實驗步驟仿真1.0實驗步驟仿真1.0實驗步驟仿真1.0步驟三:實驗數(shù)據(jù)及分析Simulink仿真結束后，可以打開并運行“e5plotm”文件，繪制期望位置和實際位置曲線圖。曲線以水平前向通道位置值為橫坐標，以水平側向通道位置值為縱坐標。圖中包含起點位置、目標位置、障礙物信息、期望位置軌跡與實際位置軌跡。實驗步驟仿真2.0效果如圖8.12所示，從圖中可以看出，兩個實驗的期望位置軌跡重合在了一起，這意味著利用系統(tǒng)辨識獲得的模型進行實驗，所設計的避障算法可以很好地模擬真實模型的避障情況，達到期望的效果。因此，在接下來的實驗中，可以利用傳遞函數(shù)模型先進行實驗驗證算法的可行性。此外，仿真2.0可以在FlightGear中查看飛行仿真效果，如圖8.13所示。實驗步驟仿真2.003分析實驗實驗設計1、整體模型。2、控制輸入模塊。實驗設計1、整體模型。2、控制輸入模塊。實驗設計1、整體模型。2、控制輸入模塊。實驗步驟步驟一：參數(shù)初始化步驟二：參數(shù)修改仿真1.0實驗步驟步驟一：參數(shù)初始化

步驟二：參數(shù)修改仿真1.0實驗步驟步驟一：參數(shù)初始化

步驟二：參數(shù)修改仿真1.0實驗步驟仿真2.0從圖中可以看出，采用系統(tǒng)辨識獲得的模型進行實驗所獲得的避障算法，能夠很好地模擬不同參數(shù)情況下的真實模型的避障情況，達到期望的效果。此外，仿真2.0可以在FlightGear中查看飛行仿真效果。04設計實驗實驗設計實驗原理在給農(nóng)作物噴灑農(nóng)藥時，使用多架多旋翼可以增加效率。這不僅要求多旋翼能夠避開靜態(tài)障礙物，還要求多機之間合作避障。這個問題可以描述為:基礎實驗中的靜態(tài)障礙物具備速度，變成移動的障礙物。當目標航路點離障礙物較近的時候，多旋翼可能無法抵達目標航路點。當環(huán)境中存在多個相近的障礙物，并且這些障礙物的排斥力合力與目標航路點的吸引力大小相等而方向相反時，多旋翼可能會陷入局部穩(wěn)定點而無法逃離。實驗設計實驗模塊介紹1、整體模型；2、控制輸入模塊；3、控制器模塊；4、多旋翼模型。實驗設計實驗模塊介紹實驗步驟實驗一1、步驟一：初始化參數(shù)；2、步驟二：查看結果；3、步驟三：保存結果。仿真1.0實驗步驟實驗二1、步驟一：初始化參數(shù)；2、步驟二：查看結果；3、步驟三：保存結果。仿真1.0實驗步驟仿真2.0實驗一：從圖中可以看出，這四條軌跡對應重合在一起，意味著采用系統(tǒng)辨識獲得的模型進行實驗時，所獲得的避障控制器可以很好地模擬真實模型的避障情況，并且可以達到較好的效果，因此在接下來的實驗中可以利用傳遞函數(shù)模型進行實驗。實驗步驟仿真2.0實驗二：從圖中可以看出，兩個實驗的軌跡對應地重合在一起。這意味著采用系統(tǒng)辨識獲得的模型進行實驗時，所設計的避障算法可以很好地模擬真實模型的避障情況，并且達到期望的效果。實驗步驟硬件在環(huán)仿真從圖中可以看出，兩架多旋翼在互相躲避的同時完成了對靜態(tài)障礙物的避障，實現(xiàn)了預