计算机控制系统课程虚拟仿真实践的引入与设计*

谷晏 赵峙尧 刘迪一 许继平

1 北京工业职业技术学院 北京 100042 2 北京工商大学人工智能学院 北京 100048

0 引言

2018年9月17日，教育部、工业和信息化部、中国工程院发布《关于加快建设发展新工科实施卓越工程师教育培养计划2.0 的意见》，深入开展新工科研究与实践。加快新工科建设，统筹考虑“新的工科专业、工科的新要求”，改造升级传统工科专业，发展新兴工科专业，主动布局未来战略必争领域人才培养。为促进我国从工程教育大国走向工程教育强国，教育部明确要求，以“新工科”理念为先导，凝聚更多共识；以需求为牵引，开展多样化探索；以项目群为平台，加强交流合作；以统筹内外资源为途径，加大项目支持。

计算机控制系统是一门理论与实践相结合的课程，采用计算机控制是工业现代化、行业智能化的显著标志。计算机控制系统课程的教学应突出理论与技术工程化应用的特色，使之与时俱进，适应国家经济和社会发展的要求。该课程通常采用理论教学和实验相结合的方法进行教学，课堂讲解传授理论知识，实践教学帮助学生认知、提高应用能力[1]。但以往的教学普遍以课堂教学研究为重点，而对学生能否进行有效的实践研究却不够重视[2]。尤其传统的实践教学通常采用以验证为主的实验方法（根据实验原理总结实验现象），难以培养学生的分析与综合设计能力，以及整体创新能力，难以实现提高学生独立创新和应用能力的教学目标。因此，对计算机控制系统课程传统实践教学方法的改革迫在眉睫。

各地高校正在积极开展线上教学与线下教学相结合的教育活动。然而线上教学存在教学时空、教学行为分离的缺点，且无法在传统实验室开展实验教学内容[3-4]，在此背景下，搭建虚拟仿真实验平台，确保学生能够随时随地投入计算机控制系统的实验课程中，保质保量地完成课业学习，成为重中之重。

1 课程改革趋势分析

计算机控制系统作为工业现代化、行业智能化的重要课程，其教学应突出理论与技术工程化应用的特色，使课程内容与时俱进，适应国家经济和社会发展的要求。为主动应对新一轮科技革命和产业变革的挑战，服务国家战略和区域发展需求，推动新工科建设再深化、再拓展、再突破、再出发，探索形成中国特色、世界水平的工程教育体系，建设工程教育强国，计算机控制系统课程改革趋势主要体现在以下几点。

1）结合最新学科前沿技术及被控对象，建设前沿化、智能化、一体化实践教学平台。

2）发挥“互联网+”的作用，需要建设全课程的共享课程资源，特别是共享实践教学案例使用视频和文档，以及虚拟仿真实验建设，打造新型的计算机控制系统在线实践教学形式，实现“线上+线下”混合式教学的创新。

3）建设基于智能控制、最优控制前沿理论的计算机控制系统“科教一体化”实践教学案例库。

4）在国内高校建立计算机控制系统课程建设联盟，共同推进本课程教学改革建设，全方位带动整个自动化专业的新工科建设。

5）形成集理论与应用于一体的自动化专业知识体系，让学生在有限的学时内掌握反映控制专业内涵的、有用的、前沿的科学知识和基本专业技能。

因此，在本课程的实践教学中引入多旋翼无人机案例，搭建多旋翼无人机飞行控制虚拟仿真实验平台，可以将计算机控制科技前沿融入教学实践过程中，也能让学生不受时间地点的限制参与实验项目，符合本课程实践教学改革的趋势，同时也契合当前时代背景下计算机控制系统课程教学的改革建设方向。

2 RflySim 仿真平台简介

本研究以科教融合为核心，以科研创新能力培养为导向，引入RflySim 仿真平台，建立以多旋翼无人机为教学科研案例的实践教学体系，让学生能够学以致用、求实创新。

RflySim 平台[5]是由北京航空航天大学可靠飞行控制组发布的无人机飞行控制生态系统，或者说工具链，它基于模型设计（Model-Based Design,MBD）思想，用于无人系统的控制和安全测试，具有高准确度水平（可信度高于90%）[6]。因MATLAB/Simulink 支持MBD 的整个设计阶段，故RflySim 选其作为控制/视觉/集群算法开发的核心编程平台；同时，因Python 是免费的且有丰富的视觉处理库，RflySim 也支持其作为顶层视觉与集群算法开发。

RflySim 支持软件在环仿真，包括颇具特色的CopterSim、视景系统插件、开发的模型以及软件在环仿真虚拟系统设计等。其有基础教育版和商业版两种，基础教育版的RflySim 强调易用性，使用个人电脑就可以运行模型，通过CopterSim 接口与Simulink 中的控制模型进行通信；商业版的RflySim 强调可靠性，使用FPGA 实时仿真器运行模型、传感器芯片，采用高速通信接口与控制板通信。

3 计算机控制系统虚拟仿真实践教学设计

本研究基于基础教育版RflySim 仿真平台，建设“1+2+4+1”实践教学方案，即1 个平台搭建实验，2 个分析实验，4 个高阶自主设计实验，1 个课程设计，共计8 个实验项目，实现递阶式虚拟仿真教学，如图1所示。

3.1 无人机RflySim 虚拟仿真实验平台的搭建

由于控制算法要在虚拟仿真平台上进行部署与飞行实验，一套可完成基本飞行任务的多旋翼仿真实验平台是必不可少的，本课程选用的RflySim 多旋翼虚拟仿真平台依赖众多软件来实现控制器设计、代码自动生成、软件在环仿真等功能。

地面计算机承担飞行仿真过程中的控制算法开发与仿真验证（开发与仿真计算机功能）工作；RflySim 仿真软件包内有安装脚本，须运行安装命令，完成所有软件的安装与配置。仿真软件包中主要有：Pixhawk Support Package（PSP）工具箱、FlightGear 飞行模拟器、QGroundControl（QGC）地面站、CopterSim 实时运动仿真软件、3D Display 三维可视化视景软件等。在搭建该虚拟仿真实验平台时，根据实际教学情况选择合适配置，等待软件包安装部署完成，测试结果正常，完成该实验平台的搭建。

3.2 分析实验

3.2.1 多旋翼无人机滤波器分析实验

对于多旋翼无人机系统，状态估计是控制与决策的基础，具有十分重要的作用。本实验将向学生详细讲解如何利用线性互补滤波器对传感器信息进行融合，通过指导学生完成互补滤波器的设计并对其参数进行分析，带领学生理解线性互补滤波器在传感器滤波中的作用。在本实验中，教师首先通过基础实验指导学生完成互补滤波器的设计，然后通过分析实验要求学生对互补滤波器的参数进行分析，以加深对互补滤波器的理解并实现灵活应用。主要分为三步：1）利用给定的数据采集模型和多旋翼无人机仿真模型中采集的加速度计和陀螺仪数据，按步骤完成互补滤波，处理所得数据并绘制相关姿态角数据图；2）将其与原数据解算的姿态角和仿真模型中自带姿态角解算出的数据作比较，以理解互补滤波器的优点；3）基于上述基础实验，将互补滤波器中的参数值进行改变，对所给数据进行滤波，分析滤波器参数对滤波效果的影响。

3.2.2 多旋翼无人机姿态控制器分析实验

在滤波器实验的基础上，以多旋翼无人机的姿态控制器中的反馈信号能够被较好地估计为前提，进行姿态控制器分析实验，让多旋翼无人机的姿态能够跟随给定的期望姿态进行变化。在本实验中，教师将详细介绍多旋翼无人机姿态控制器的设计原理以及设计方法，并为学生后续进行高阶自主实验打下基础。本实验通过基础实验-分析实验，让学生逐步掌握多旋翼无人机姿态控制器的工作原理以及控制原理，为其后续高阶自主实验打下基础。主要分为四步：1）根据给定案例复现四旋翼无人机的Simulink 仿真，分析控制分配器的作用；2）记录姿态的阶跃响应，并对开环姿态控制系统进行扫频以绘制Bode 图，分析闭环姿态控制系统的稳定裕度；3）调节PID 控制器相关参数，以改善控制性能并记录超调量和调节时间，试得到一组恰当参数；4）使用调试的参数后，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。

3.3 高阶实验

3.3.1 多旋翼无人机动力学建模实验

多旋翼无人机刚体运动学模型跟质量与受力无关，只研究位置、速度、姿态、角速度等参量，常以质点为模型；多旋翼无人机刚体动力学模型与一般刚体动力学模型最大的不同是，拉力方向始终与机体轴的负方向一致；控制效率模型根据旋翼数量的不同而不同；动力单元模型是以无刷直流电机、电调和螺旋桨为一组的整个动力机构，输入是0 ～1的电机油门指令，输出是螺旋桨转速[7-8]。本实验以上述知识为基础，让学生自主搭建状态空间下的多旋翼无人机动态数学模型。该实验可以加深学生对状态空间模型的认识，同时也能使学生掌握多旋翼无人机的运动规律，进而有助于其后续设计多旋翼无人机位置控制器和半自主控制器。本实验主要分为三步：1）首先建立一个基于状态空间的模型来研究多旋翼无人机，其中依次包括动力单元模块设计、控制效率模块设计、刚体动力学模块设计；2）然后在MATLAB/Simulink 中搭建这个数学模型；3）最后添加多旋翼三维模型到FlightGear 中进行可视化显示。实验步骤依次为建立三维四旋翼模型，配置参数，放置模型和配置文件，使用MATLAB 驱动FlightGear。

3.3.2 定点位置控制器设计实验

一般而言，位置控制可分为定点控制、轨迹跟踪和路径跟随，其中后两者都可以转化为定点控制，故此处以定点控制为例。在实验中，以系统时域特性、Bode 图和稳定裕度为控制基础，设计底层控制框架，并采用内外环的控制策略，由内环对多旋翼飞行器姿态角进行控制，外环对多旋翼飞行器的位置进行控制。使用加饱和的PID 控制对多旋翼无人机进行位置控制，避免飞行方向偏离，保障多旋翼无人机的直线飞行；并加入串联校正，实现多旋翼无人机的定点位置控制。通过该实验，让学生对计算机控制系统理论以及仿真有更加深刻而全面的理解和掌握，实验主要分为四步：1）以多旋翼的位置模型为依据，建立常见的PID 控制方法，在Simulink 中完成位置控制器的设计，并在3D Display 中显示仿真效果；2）使用Simulink 中PSP 工具箱生成的代码，并将其下载到CopterSim中进行软件在环仿真实验；3）调节PID 控制器的参数，尝试得到一组满意的参数，让多旋翼无人机在时域中达到较好的控制性能，并使用MATLAB 系统分析工具得到整个开环系统的Bode 图，查看相应闭环系统的稳定裕度和幅值裕度；4）使用计算机控制原理中的系统校正方法对多旋翼系统进行校正，设计超前和滞后超前环节，分别对位置环和速度环实施控制，达到设计指标，让多旋翼无人机在频域中达到更好的控制性能，并调试软件在环仿真实验验证设计中的效果。

3.3.3 多旋翼无人机半自主控制模式设计实验

在半自主控制下，多旋翼无人机姿态的稳定或悬停是由自驾仪实现的，而位置控制是由操作控制器的飞控手实现的。在这种控制方式下，地面站不是必需的，因此，多旋翼的控制量是由两部分叠加起来的，一部分是遥控器输出的控制量，另一部分是自驾仪中的自动控制器输出的控制量。事实上，半自主控制由遥控器和自动控制组成，处于半自主控制下的多旋翼受二者之一控制，根据自动控制器实现的功能层次，半自主控制分为三种模式：自稳模式、定高模式和定点模式。并通过对遥控器的三段开关5 通道（ch5）的定义完成三种模式的转换。半自主控制的实现基于前面实验及案例中设计的位置和姿态控制器。本实验将向学生介绍三种半自主控制模式（自稳模式、定高模式和定点模式）及其实现方法，从最基础的自稳模式开始，分3 步让学生建立起半自主飞行的知识框架：1）复现自稳模式的仿真，体会自稳模式仿真效果；2）在其基础上将模式改成定高模式，通过实验分析定高模式与自稳模式的不同；3）在自稳模式的基础上将其改为定点模式，并能设计逻辑实验进行三种模式之间的切换。

3.3.4 多旋翼无人机失效保护逻辑设计实验

本实验利用扩展有限状态机方法，实现多旋翼无人机的失效保护逻辑设计，通过定义多旋翼的状态、飞行模式和可能发生的事件，将扩展有限状态机模型应用到自驾仪设计上，基于此建立状态转换条件，以保障飞行安全。需要指出的是，扩展有限状态机不仅能实现失效保护，还能使学生清晰地观察和理解决策过程。本实验主要介绍多旋翼失效逻辑保护的原理和保护机制的设计，并设计分步实验，由浅入深地带领学生领会这部分的知识，主要分三部分：1）基础部分，学生复现由手动控制模式到返航模式或着陆模式的切换；2）分析部分，要求学生更改状态的转移条件，实现返航和着陆之间的切换；3）设计部分，要求学生实现在多旋翼遥控器失联时能够自动返航着陆。

3.4 课程设计

学生使用本课程中的RflySim 平台，自主完成基于多旋翼无人机计算机控制系统的设计与实现，例如多旋翼无人机集群控制系统设计、多旋翼无人机视觉控制方法研究、多旋翼无人机航迹跟踪设计等，对功能的实现不作统一要求，最大程度激发学生自主实践能力和创造力。课程设计过程中提供实验硬件以及飞行场地，供学生申请通过后使用。为确保安全，可在无人机上系上安全绳，并将安全绳的另一端固定在重物上。另外，应在空旷场地上进行实验，以确保GPS 信号良好。

4 结束语

本文深度融合计算机控制课程理论知识点与科研前沿多旋翼无人机案例，基于RflySim 仿真平台，建设“1+2+4+1”实践教学方案，让学生在学习基础计算机控制理论、算法的过程中，自觉地、主动地探索理论与实践的结合点，掌握认识和解决问题的方法和步骤，培养学生“发现问题-分析问题-解决问题”的基本科研能力，锻炼学生的自主能动性，提升学生的理论创新力。通过建设基于多旋翼无人机的计算机控制系统课程虚拟仿真实践教学平台，强化该课程的实践教学，保障并提高了课程教学质量。