无人机基于Matlab/Simulink的模型开发(连载一）

“一切可以被控制的对象，都需要被数学量化”

这是笔者从事多年研发工作得出的道理，无论是车辆控制，机器人控制，飞机控制，还是无人机控制，所有和机械运动相关的控制，如果不能被很好的数学量化，那么将不会被很好的控制。

因为工作需要，笔者曾拜访过很多无人机研发公司，高校和研究所。发现大多数无人机研发公司的研发手段，相较于国外，还很初级。基本都是嵌入式开发居多，侧重于驱动的修改，飞行逻辑的修改。我认为这算不上是严格的无人机开发。因为大多数公司，都没有给被控对象(无人机)，建立完整的数学模型。只是利用开源的框架，调整控制参数，没有完整的测试流程和测试指标。这样研发出来的飞机一致性很差，每一架飞机的飞行状态都不统一，完全不能满足于工业应用的场景。2018/2019年倒闭的无人机公司，大多数都是存在这种情况。

不乏有些原本从事互联网软件开发的公司，转行从事无人机开发。在运动控制领域，和互联网软件开发的不同。有的时候互联网软件开发，不需要建立被控对象的数学模型。秉承设计模式，软件架构设计，协作编程，大规模软件集中测试，上线。在无人系统开发中，软件构架设计也是必不可少的，但是在测试的环节，如果没有建立数学模型，测试无从谈起，因为一般的真机测试，代价，效率和测试密集程度远远达不到要求。因为一个BUG会导致飞机坠毁，而任何一个新系统，往往存在大量的BUG。

而在已经成熟工业界，比如汽车，飞机制造，电力电子，航天等领域大量采用了基于Matlab基于Simulink的模型开发手段。

我们阿木实验室提供如下的课程体系和打包工具：

课程将全面，细致地讲解如何基于模型(Simulink)的方法设计一套功能强大的飞控系统。本课程由多位一线资深飞控工程师设计，结合多年的基于模型的飞控开发经验，给大家提供最先进，最前沿的飞控开发体验。

概述

基于模型的开发将省去繁琐的代码编写步骤，只需要拖动几个模块，就像搭积木一般，轻松搭建您自己的飞控算法。飞控开发人员可以将更多的精力放在算法本身，而不需要过多关注代码实现的细节，这样将大大加快开发的效率，减少在代码编写过程中产生的错误。同时，基于模型的开发具有优秀的代码复用性。也就是说，已经设计好的功能模块，只需要简单的复制粘贴，就能轻松地应用到其它任何地方，免去了代码移植过程的繁琐。

基于模型的开发另外一个强大的优势即在于“一次试验，多次仿真”的目的。结合Simulink强大的开环和闭环仿真系统，只需采集一次数据，便可通过仿真再现在真实世界中的实际表现。通过修改模型算法或参数，可以进行在线的数据仿真和调试，大大简化调试的难度。

系统接口与总线设计

在我们设计控制系统之前，首先要做的就是定义系统的输入/输出接口。在Simulink中，接口一般都是以总线的方式进行定义。可以将总线理解为C语言中的结构体，当把Simulink模型自动生成C代码后，也可以看到总线最终是用结构体来进行实现的。

对于内环的姿态环控制器来说，输入总线设计如下：

Command_Bus

Element	Type	Unit	Meaning
reset	uint8	[0,1]	为1复位控制器
mode	uint8	[0,1]	0:角度控制，1:角速度控制
base_th	int16	0~1000	姿态环基础油门

Reference_Bus

Element	Type	Unit	Meaning
phi_ref_rad	single	rad	目标roll
theta_ref_rad	single	rad	目标pitch
psi_ref_rad	single	rad	目标yaw
p_ref_radDs	single	rad/s	目标roll角速度
q_ref_radDs	single	rad/s	目标pitch角速度
r_ref_radDs	single	rad/s	目标yaw角速度

States_Bus

Element	Type	Unit	Meaning
phi_rad	single	rad	roll当前值
theta_rad	single	rad	pitch当前值
psi_rad	single	rad	yaw当前值
p_radDs	single	rad/s	roll角速度当前值
q_radDs	single	rad/s	pitch角速度当前值
r_radDs	single	rad/s	yaw角速度当前值

输入接口总共有三个总线，分别是Command_Bus，Reference_Bus和States_Bus。其中Command_Bus是控制总线，用来对控制系统进行一些设置，如模式设置，复位等。Reference_Bus和States_Bus是目标信号总线和状态信号总线，可以理解为控制器的目标值和当前值。控制器的目的就是通过控制来使得当前值尽可能收敛到目标值。

输入接口设计完了，接下来是输出接口。输出接口相比输入要简单很多，无非就是多路pwm指令输出。这里我们预留6个pwm输出接口，即最多可以支持6轴的控制，当面，也可以根据自己的需要，来进行修改。

Control_Out_Bus

Element	Type	Unit	Meaning
pwm1	uin16	1000~2000	电机1 pwm信号
pwm2	uin16	1000~2000	电机2 pwm信号
pwm3	uin16	1000~2000	电机3 pwm信号
pwm4	uin16	1000~2000	电机4 pwm信号
pwm5	uin16	1000~2000	电机5 pwm信号
pwm6	uin16	1000~2000	电机6 pwm信号

好了，现在接口都定义好了，那么下一步的问题就是如何在Simulink里面来实现这些接口定义了。

其实，在Simulink中实现这些接口定义很简单。Simulink提供了一个Bus Editor的工具，只需要进行简单配置就可以定义任何你需要的接口或者总线了。

下面一步一步地讲解一下总线的定义方法：

• 首先打开控制模型，点击Edit->Bus Editor
  

• 这里我之前已经配置过了，所以能看到我已经定义过的总线。但是如果是自己第一次进行设计的话，这里应该是空的。可以点击如红色圈圈所示的add bus来添加Bus信号，这里我们总共需要添加4个Bus。三个输入总线和一个输出总线。Bus添加好后，在最右边的Property，修改Bus的名称。添加好Bus之后，我们下面就需要往Bus里面添加Element，即总线的元素。首先选定一个Bus,然后点击蓝色圈圈圈出的add element选项，即可添加元素。
  

• 然后需要对Element进行配置。如图所示，我们一般只需要对Name，Data Type和Dimension三个选项进行配置即可。Dimension为变量的维度，如果我们的element需要配置为向量或者矩阵，那么就需要对Dimension进行配置。
  

• 配置完成后，需要点击File->Export to File来将Bus的配置保存成.m还活着.mat文件。因为Bus的定义都是保存在工作空间的。当你下次打开matlab的时候，工作空间都是会被清除的，所以我们需要将我们的Bus定义保存成文件，这样，当下次打开matlab的时候，只需要load一下我们的.mat/.m文件，就能将我们定义的Bus再load进工作空间。

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