第1章緒論一、填空題1.按飛行環境和工作方式的不同，飛行器可以分為航空器、航天器、火箭和導彈。2.無人駕駛飛機是由動力驅動、機上無人駕駛的航空器，簡稱“無人機”。3.多旋翼主要有兩種控制方式:半自主控制方式和全自主控制方式。4.直升機有四個控制輸入，分別是周期變距桿、總距操縱桿、航向、油門。5.無論從教育還是科研的角度來看，多旋翼系統都是一個非常好的研究對象。二、簡答題1.“無人機”與“航模”之間有什么區別？答：(1)組成不同。一般來說，小型無人機的組成比航模更復雜。無人機系統由機架、動力系統、自駕儀、任務系統、通信鏈路系統和地面站等組成。航模主要包括機架、動力系統、簡單的自穩系統、遙控器及接收系統等。(2)操控方式不同。無人機是由機載電腦自動控制或者是由地面或其他飛機上的飛行器操縱人員遠程控制，而航模一般由操縱人員遙控操縱實現飛行。(3)用途不同。無人機更偏向于軍事用途或民用特種用途，一般用來執行特殊任務。而航模更接近于玩具。2.簡述多旋翼系統的特點和未來研究需求。答：(1)多旋翼除了能夠由自駕儀自主控制飛行，還能由操作員通過地面站或者遙控器(對應于信息與通信工程學科》進行遠程控制。因此，我們希望通信鏈路安全可靠，并且不被黑客攻破。此外,還有研究者通過檢測通信鏈路來追蹤遙控多旋翼的操作員，從而查處違法飛行。(2)多旋翼本身涉及很多電子設備(對應于電子科學與技術學科)。我們希望電子電路穩定可靠，不受外界電磁輻射影響。同時希望機載嵌入式處理器具有更豐富的計算資源，功耗和重量越小越好。(3)多旋翼系統需要軟件環境來運行控制算法(對應于計算機科學與技術學科)，一般需要實時操作系統(Real-TimeOperatingSytem,RTOS)來提供軟件運行環境并提供與機載硬件通信的接口。例如，著名的開源自駕儀軟件PX4運行在一-個輕量級實時操作系統Nuttx之上。(4)在多旋翼設計上，需要考慮材料、布局和結構(對應于力學、機械工程學科)，還要考慮動力系統選型(對應于力學、電氣工程學科)等。我們希望結構輕而穩固;機身設計成流線型用于高速飛行;螺旋槳和電機匹配，從而達到最高效率。(5)在狀態估計上需要考慮多個傳感器(如GPS、陀螺儀、加速度計、磁力計、氣壓計、超聲波測距儀、光電傳感器等)信號不同步、采樣周期不相同、數據延遲以及傳感器出現異常等問題，最終魯棒且高性能地估計相應狀態(對應于儀器科學與技術學科)。(6)多旋翼作為一個典型的閉環控制系統(對應于控制科學與工程學科)，具有很.多有趣的特性，例如它是-一個不穩定、非線性、欠驅動和執行器控制量受限(螺旋槳只能產生正向垂直于機身平面的拉力)系統。它不像固定翼飛行器和直升機那樣需要較高的氣動設計要求，降低了建模、分析和控制難度，讓--般非航空院校的初學者或者工程師能迅速上手使用，因此它是研究空中運動體控制的絕佳平臺。(7)多旋翼價格便宜，飛行實驗簡單，可以較為容易地得到大量相關飛行數據，這也為多旋翼的健康評估提供了較好的基礎條件。3.多旋翼設計和控制屬于復雜工程問題，它完全覆蓋工程教育認證標準所有內容，請進行簡要說明。答：(1)工程知識。多旋翼各類需求的建模以及濾波、控制和決策算法設計可以體現“能夠將數學、自然科學、工程基礎和專業知識用于解決復雜工程問題”。(2)問題分析。多旋翼建模和算法設計以及調試可以體現“能夠應用數學、自然科學和工程科學的基本原理，識別、表達、并通過文獻研究分析復雜工程問題，以獲得有效結論”。(3)設計/開發解決方案。多旋翼整個系統設計以及測試飛行可以體現“將能夠設計針對復雜工程問題的解決方案，設計滿足特定需求的系統、單元(部件)或工藝流程”。因為多旋翼具有危險性，需要使用者遵守相關法律法規，進行合法測試和飛行，可以體現“并能夠在設計環節中體現創新意識，考慮社會、健康、安全、法律、文化以及環境等因素”。(4)研究。多旋翼建模和算法設計可以體現“能夠基于科學原理并采用科學方法對復雜工程問題進行研究，包括設計實驗、分析與解釋數據，并通過信息綜合得到合理有效的結論”。(5)使用現代工具。在多旋翼系統開發過程中，需要很多工具，例如機體設計分析工具、流體分析軟件、力學測試工具，操作系統，算法設計工具，還可能需要硬件在環仿真等快速原型開發工具，這可以體現“能夠針對復雜工程問題，開發、選擇與使用恰當的技術、資源、現代工程工具和信息技術工具，包括對復雜工程問題的預測與模擬，并能夠理解其局限性”。(6)工程與社會。需要設計者有一定的創新能力，挖掘多旋翼的應用場景。這能體現“能夠基于工程相關背景知識進行合理分析，評價專業工程實踐和復雜工程間題解決方案對社會、健康、安全、法律以及文化的影響，并理解應承擔的責任”。(7)個人和團隊。多旋翼開發一般需要一個小型團隊，這很好地滿足了“能夠在多學科背景下的團隊中承擔個體、團隊成員以及負責人的角色”這一需求。(8)溝通。對于多旋翼作品的展示，需要讀者有相應的能力。這能夠體現“就復雜工程問題與業界同行及社會公眾進行有效溝通和交流，包括撰寫報告和設計文稿、陳述發言、清晰表達或回應指令。同時具備-定的國際視野，能夠在跨文化背景下進行溝通和交流”。第二章仿真和實驗平臺一、簡答題1.一套可完成基本飛行任務的硬件平臺包括哪些？答：(1)室內定位系統:包括主機和位置捕捉單元。在室內環境無法使用衛星定位時，室內定位系統解決了衛星信號到達地面時較弱、不能穿透建筑物等問題。主機用于運行與室內定位系統相關的軟件，本書使用的是光學室內定位系統,除此之外還可以使用超寬帶定位技術(UWB)等。位置捕捉單元能夠實時捕獲多旋翼的位置和姿態信息，并通過主機以廣播的形式發送出去。(2)計算機:一臺裝有操作系統的高性能個人計算機或者工作站，裝有MATLAB/Simulink、CIFER、FlightGear、CopterSim和RflySim3D等軟件。一方面，它可以用來完成各種仿真實驗;另一方面，它也是實際飛行實驗的地面控制站，用于接收主機廣播出來的多旋翼的位置和姿態反饋，進而完成多旋翼通信與控制等任務。(3)帶半自主飛控的多旋翼:該多旋翼帶有特殊功能，可以通過一些接口設備來連接計算機(工作站)，從而實現多旋翼速度、位置與角度等外部控制。該指令不需要對多旋翼進行遙控器校準或者模態設置，直接給定指定的速度或位置即可。(4)自駕儀:也稱為飛行控制板,或簡稱為飛控,它作為控制算法的運行平臺,用于硬件在環仿真。自駕儀具有豐富的傳感器和強大的計算性能，來獲取飛行狀態并計算輸出給動力系統的控制指令,實現多旋翼的飛行控制。本書選用目前應用廣泛的Pixhawk系列開源自駕儀，這是一個獨立的開源硬件項目，致力于為教育、愛好和開發者提供易用、高品質且低成本的自駕儀硬件。針對不同的飛行任務、性能和成本需求，Pixhawk提供了一系列的自駕儀硬件產品，極大地推動了多旋翼行業的發展。2.簡述仿真系統的一些關鍵特性。(1)“控制器”子系統模塊在輸入/輸出與反饋信號的形式.上是與真實的自駕儀硬件保持一致的。例如，本例子的輸入是模擬來自遙控器的俯仰角、滾轉角、偏航角和高度控制指令;輸出是給多旋翼模型的電機PWM信號。(2)“控制器”本身使用傳感器估計狀態(姿態、角速度、位置、速度等狀態信息)來實現多旋翼的穩定姿態控制。(3)“多旋翼模型”子系統與真實的多旋翼的輸入/輸出接口保持一致，輸入是8個電機(多旋翼模型會根據選定機型選擇實際使用的電機數目)的PWM控制信號(數據范圍是1000~2000，對應了0~1的油門指令)，輸出是各種傳感器的數據。(4)“FlightGear接口”子系統可以將飛行信息傳輸到FlightGear中，逼真地展現多旋翼當前的飛行軌跡與姿態信息。3.四旋翼的整個控制器模塊的計算過程大體分為五個步驟，依次對應五個模塊，請具體闡述。答：(1)“輸入接口”模塊①:接收遙控器信號和飛行器狀態觀測信號。第1~5號輸入端口對應了遙控器的五個通道的輸入(“ch1”~“ch5");第6~8號輸入端口對應了來自陀螺儀傳感器的滾轉、俯仰和偏航方向的角速度(“p”、“q”和“r”);第9~10號端口對應了滾轉角和俯仰角（“phi”和“theta”)。(2)“遙控信號處理”模塊②:將遙控器的五個通道信號映射為期望的滾轉和俯仰角度。(3)“姿態控制器”模塊③:計算期望輸出力和力矩大小來控制多旋翼姿態到期望角度。(4)“電機控制輸出分配”模塊④:將力和力矩的控制量映射為四個電機的油門控制量(一般是0~1)。(5)“輸出接口”模塊=5\*GB3⑤:將剩余的四維控制量補齊并映射出PWM調制信號(一般是1000~2000us)，構成八維(根據自駕儀硬件上的PWM輸出口數)的PWM控制信號作為輸出。4.簡述多旋翼模型子系統的七個主要模塊。(1)電機模塊①:模擬電機動態;.(2)力和力矩模塊②:模擬螺旋槳拉力、機身氣動力、自身重力以及地面支撐力等所有的外部力和力矩:(3)剛體運動動態模塊③：計算多旋翼的速度、位置、姿態等運動學狀態;(4)環境模塊④:計算環境數據，如重力加速度、空氣密度、風干擾和地磁場等;(5)故障模塊=5\*GB3⑤：主要用于注入模型不確定(質量和轉動慣量有關的)和故障數據;(6)電池模塊⑥:模擬電池的放電過程;(7)輸出接口模塊⑦:將數據打包成需要的格式。5.MATLAB控制模型由哪些部分組成？答：(1)“狀態獲取”模塊①:通過此接口模塊，多旋翼可以接收室內定位系統反饋的飛行器位置和姿態信息。(2)“路徑生成器”模塊②:此模塊產生給多旋翼的期望位置和偏航角，若需要執行其他的飛行任務，可以在此模塊中修改期望的軌跡。(3)“控制器”模塊③;此控制器的輸入是期望的位置，輸出是期望的速度和偏航角速率。(4)“控制指令發送”模塊④:此接口模決將控制器的輸出發送給多旋翼。(5)“數據存儲”模塊⑤:將多旋翼飛行過程中的實際狀態和期望狀態保存到MATLAB工作空間中，可用于分析飛行狀態。(6)“電量查看”模塊⑥:可以看到每個多旋翼的剩余電量百分比。(7)“實時控制”模塊⑦:此MATLAB模型的運行速度快于實時時間，加入這個實時模塊保持MATLAB運行速度與實際時間一致。第3章實驗流程一、填空題1.每個實驗分為由淺入深的四個分步實驗，即基礎實驗、分析實驗、設計實驗和實飛實驗。2.仿真1.0采用的模型是簡化的線性模型，通常是利用系統辨識得到的，可以用于模擬模型開發;而仿真2.0采用的模型是高逼真的非線性模型，用于模擬模型開發到真實飛行器上的遷移。3.仿真階段需要經歷“仿真1.0→仿真2.0→硬件在環仿真”。4.輸出數據是對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令。5.為了實現多旋翼運動狀態的實時反饋，需要在室內定位系統中建立多旋翼的模型。二、簡答題1.實驗一般分為哪些步驟？答：(1)基礎實驗:打開例程，閱讀并運行程序代碼，然后觀察、記錄結果并分析數據。(2)分析實驗:指導讀者修改例程，運行修改后的程序并收集和分析數據。(3)設計實驗:在完成上述兩個實驗的基礎上,針對給定的任務，進行獨立設計。(4)實飛實驗:在設計實驗的基礎上，針對給定的任務，進行獨立的設計并運用于真實的多旋翼。2.簡述仿真實驗的注意事項。(1)本書中的仿真模型均在MAILABR2017b版本中運行，所以需要讀者計算機中的版本為R2017b及以上。(2)所有的仿真模型均需要設定固定的仿真步長。在Simulink界面的上方菜單欄中單擊“ModelConfigurationParameters”進入如圖3.10所示的界面，在其中單擊“Solver”→“Sloveroptions”→“Type”，在下拉菜單中選擇“Fixed-Step”選項。單擊其下方的“AditionalParameters"，在“Fixed-Stepsize"一欄中填入變量名“ssample-Time”。這樣就規定好了仿真模型的固定仿真步長，而變量““sampleTime”值設置在‘startSimulation.m”文件中。3.簡述實飛實驗的步驟。1）步驟一：控制器設計2）步驟二：建立控制器子模塊3）步驟三：實飛準備4）步驟四：開始實飛實驗5）步驟五：結束實驗第4章系統辨識實驗一、簡答題1.試畫帶有半自主駕儀的多旋翼控制結構圖。答：2.簡述系統辨識步驟。答:(1)先驗知識:包括系統特性、數據采集方法以及待辨識系統其他方面的已有知識。這些知識對選擇備選模型、設計實驗、決定計算方法和檢驗準則等都有重要作用。由于辨識目的不同，即使是對同一系統進行辨識，其應用的先驗知識也可能有很大差別。(2)實驗設計:目的是在已知條件下，獲得能反映系統性能的輸入/輸出數據。在輸入輸出數據的采集過程中，有時需要針對辨識過程進行特殊的實驗設計。在實驗中,可能需要用戶確定測量哪些信號以及什么時候測量這些信號。(3)數據采集:通過合理的實驗來獲得輸入/輸出數據。(4)模型選擇:選擇一系列的備選模型，通過后續驗證，從中確定最合適的模型。數學建模可以得到一個未知參數化模型，然后通過參數辨識方法計算出模型中的未知參數。(5)模型計算:采用合適的優化方法來計算備選模型的未知參數。(6)模型檢驗:建立一個標準來檢驗備選模型與計算出的參數是否滿足設計要求。通常，該標準的確定依賴于觀測的數據、先驗知識以及待辨識模型的用途。如果模型及其參數可以通過校驗，則可以將其作為最終辨識出來的模型，否則需要重復上述步驟，直至模型通過驗證。3.CIFER工具箱是什么？答：該工具箱基于綜合頻域響應方法進行系統辨識，適用于解決復雜的系統辨識問題，可以用于辨識不穩定模態，尤其是與飛機建模和控制器設計相關的系統辨識問題。CIFER的基本原理是通過提取-組高質量完備的非參數多輸入多輸出頻域響應數據，在不需要先驗假設的前提下，直接由這些響應數據提取得到系統的耦合特性。CIFER以先進的線性調頻Z變換以及組合優化窗技術作為理論基礎，相比于標準的快速傅里葉變換而言，其頻域響應質量有顯著的提高。在完整頻域響應數據集己知的前提下，可以用多種復雜的非線性搜索算法來提取狀態空間模型。4.分析實驗中的實驗目標是什么？答：對給定的多旋翼非線性模型進行辨識，在假設存在延時的情況下獲得四個通道的傳遞函數模型。注意四個通道建立的均是由輸入到機體速度的傳遞函數,這里將水平通道的兩個方向分解為水平前向通道和水平側向通道，因此是四通道。(1)了解利用CIFER軟件進行系統辨識對系統進行建模的大致流程。(2)要求各通道辨識結果的代價函數J<50,詳情參考“CIFER軟件使用指南”。(3)對于通過系統辨識獲得的速度模型傳遞函數，加入積分環節，使之成為完整的多旋翼機體模型傳遞函數，即輸入到機體位置的傳遞函數模型。5.簡述仿真1.0實驗的實驗步驟。步驟一：了解辨識相關流程步驟二：掃頻相關文檔介紹步驟三：初始化參數步驟四：進行掃頻實驗步驟五：修改相應掃頻通道步驟六：各個通道分別掃頻步驟七：保存數據步驟八：進行系統辨識，獲得相應結果步驟九：進行非線性模型對比驗證第5章濾波器設計實驗一、簡答題1.濾波器設計實驗需要準備什么軟件硬件？答：(1)軟件:MATLABR2017b及以上版本;基于Simulink的控制器設計與仿真平臺和實驗指導包“e2.1”。(2)硬件:計算機。2.實驗過程中與真實輸入做對比時需要注意什么？答：在進行信號輸入時，應該對每個通道分別進行激勵，同時在每次信號輸入完成后，應該再次運行仿真模型“e2\e2.1\sim1.0\e2_1_TF_KalmanFilter.slx"。然后，將期望值設為0,使得多旋翼仿真模型回到初始位置，再重新進行下一‘通道的信號激勵。3.簡述濾波器設計實驗仿真2.0實驗步驟。答：(1)步驟一:打開命名為“e2\e2.1\sim2.0”的文件夾,其中的文件與上面的“e2\e2.1\sim1.0”文件夾相同，而區別在于文件“e2\e2.1\sim2.0”中的模型為非線性模型。(2)步驟二:采用與傳遞函數模型實驗中完全相同的實驗步驟，觀察獲得結果，并將兩種模型的關鍵結果進行對比。4.簡述調整卡爾曼濾波器中的測量噪聲方差陣和過程噪聲方差陣的方法。答：首先，對各通道執行基礎實驗中的步驟一至步驟六，觀察濾波器效果。接下來，在每個通道的濾波器函數模塊中找到代碼段。其中第2行的“p_var"代表過程噪聲的標準差，第7行“m_var”"代表測量噪聲的標準差。反復修改這兩個參數，使得獲得的速度濾波信號能更加平滑，直至最優。最后，運行“2e\e2.2\sim1.0\startSimulation.m"文件,分別對各通道輸入實驗目標中的特定信號，利用示波器觀察其濾波效果。在獲得卡爾曼濾波的速度估計后，可以與真實速度值進行對比，以便獲得一個更直觀的濾波器效果。5.濾波器設計實驗中實驗設計有哪些方法？答：方法一：遞推預測法；方法二：擴維法。6.簡述考慮延時的必要性。答：在設計實驗中，我們在傳輸有延時的情況下，基于擴維法設計新的卡爾曼濾波器算法，并利用改進的卡爾曼濾波器重新獲得的速度反饋信號，并將其加入閉環控制；對比真實速度和濾波速度，二者差別不大；將濾波信號加入閉環控制后可以很好地跟蹤期望位置，這說明考慮延時的必要性。第6章跟蹤控制器設計實驗一、填空題1.系統模型包含高度通道、偏航通道、水平通道三種通道。2.各通道均含有積分環節，三個通道的模型本身是臨界穩定的。需要加入控制器使系統穩定，最典型的控制器是PID控制器。3.微分控制(D)的功能是通過誤差的變化率預報誤差信號的未來變化趨勢。4.本實驗不僅需要軌跡跟蹤，而且需要機頭時刻指向圓心。5.在實際中，自駕儀獲得遙控指令，轉化為直接控制量控制多旋翼的速度，再通過控制速度控制多旋翼的位置。二、簡答題1.簡述PID控制的具體控制方式。答:1)比例控制比例控制(P)是一-種最簡單的控制方式,其輸出與輸入誤差信號呈比例關系。僅用比例控制，根據負載的變動及設備的固有特性不同，結果可能會出現不同的穩態誤差。2)積分控制積分控制(I)，就是在出現穩態誤差時自動改變控制器輸出量，以消除穩態誤差。當系統存在誤差時，進行積分控制，根據積分時間的大小，控制器的輸出會相應的變化減小誤差。只要誤差還存在，就會不斷進行調整。3)微分控制微分控制(D)的功能是通過誤差的變化率預報誤差信號的未來變化趨勢。通過提供超前控制作用，微分控制能使被控過程趨于穩定。因此，它經常用來抵消積分控制以及比例控制產生的不穩定趨勢。2.簡述偏航控制器具體如何設計。答：3.簡述軌跡設計思路。答：本實驗不僅需要軌跡跟蹤，而且需要機頭時刻指向圓心。對于水平方向，可以將前向通道的期望輸入定為sin(wt)，則水平側向通道的期望輸入為cos(wt)，二者的角速率w是相同的，這樣就可以實現水平平面內的圓周運動。高度保持不變，機頭始終指向圓心，則需要偏航通道的期望輸入與水平方向的角速率變化同步。在初始0時刻，多旋翼在水平平面需要飛到(0,1),以水平前向通道正方向為零偏航角，此時機頭若指向圓心則需要偏航角保持為-sin(wt)。第七章路徑跟隨控制器設計實驗一、填空題1.人工勢場法的總體思路可粗略描述如下：認為多旋翼是帶正電的粒子，航路點是帶負電的粒子，指定路徑是帶負電的導線。2.在多旋翼執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。3.本章中的設計實驗是在直線路徑跟隨理論的基礎上，設計圓軌跡路徑跟隨算法。4.要均衡選取合適的參數從而達到貼合期望軌跡的目的，同時減少抖動。5.非線性模型所獲得的圓跟隨軌跡并不對稱，這是因為非線性模型存在著諸多不確定性和限制，同時也可以在FlightGear中查看仿真飛行效果。。二、簡答題1.多旋翼的路徑規劃是什么意思？答：多旋翼的路徑規劃是指，在滿足多旋翼機動性能及飛行環境的約束下，尋找從起始點到目標點的最優飛行軌跡。它是多旋翼任務規劃系統的關鍵技術，也是多旋翼實現自主飛行的技術保障。其主要功能包括:在飛行前，幫助任務規劃人員為即將執行任務的多旋翼選擇一條最優的路徑;在飛行過程中，能夠在一定程度上根據現場情況進行在線路徑重規劃。規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。在不考慮任何約束條件時，生成一條從起始點到終點的路徑并不難。但實際中路徑規劃要考慮許多約束條件，例如來自多旋冀本身飛行性能參數或環境中的障礙物。根據給出的航路點，本章基于人工勢場法給出了一種較為簡單實用的算法進行路徑規劃。2.路徑跟隨控制器設計實驗的基礎實驗目標是什么？答:給定多旋翼傳遞函數模型，該模型已經包含第6章設計的跟蹤控制器。設計路徑跟隨控制器讓傳遞函數模型輸出進行直線路徑跟隨。直線初始點為(5,-3),終點為(5,10),多旋翼初始位置隨機，可以定為(0,0)。此外，偏航角通道需要始終保持為0,高度始終保持在2m。(1)學習并掌握路徑跟隨的理論基礎及原理;(2)實現多旋翼直線路徑跟隨控制。3.簡述實飛實驗中的系統啟動流程。答：(1)啟動OptiTrack打開一個新終端，運行命令“roslaunchmocap_optitrackmulti_rigidbody8.launch"。(2)啟動tello_driver打開一個新終端，運行命令“roslaunchtelloldrivertellolnode.launch"。(3)起飛Tello打開一個新終端，運行命令“rosruntelloTello_takeoff_all",可以看到兩架多旋翼起飛并保持懸停在正.上方高度為1m位置。(4)運行MATLAB控制程序運行“e4_4_trajectory_planning.slx”文件。(5)降落Tello打開一個新終