基于MBSE的无人机飞控设计与仿真教学实验室建设方案

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在当今科技飞速发展的背景下，无人机作为一项重要的技术应用，正在各个领域展现出广阔的应用前景。然而，无人机飞控系统设计作为关键环节，需要综合运用多个学科的知识和技能，以确保无人机的稳定飞行和性能优越。在这一背景下，基于MBSE的无人机飞行控制教学实验室的建设显得尤为重要。

传统的教学方法难以满足跨学科综合能力培养的需求，而基于MBSE的无人机飞行控制教学实验室则能够将学科知识与实际应用相结合，培养学生的系统工程思维和创新能力。同时，现实中的工程项目往往面临高风险和高成本，而通过模型化设计与仿真，可以在风险最小化的情况下进行系统验证和优化，为工程的成功实施提供有力支持。

此外，随着科技的迅速进步，无人机技术的创新和应用日新月异。建立基于MBSE的无人机飞行控制教学实验室，不仅能够培养学生具备适应快速变化的技术环境的能力，还能够为学生提供丰富的实践经验，使他们能够更好地适应未来的工作挑战。

方案概述

OVERVIEW

实验室建设采取虚实结合、循序渐进的方式，开展无人机飞行控制系统软件仿真实验，硬件在环仿真实验和实飞验证实验，帮助学生建立无人机飞行控制系统的整体概念、理解无人机飞行控制系统的体系结构。
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本实验系统立足本科教学需求，兼具科研用途。采用符合实际无人机的动力学模型，建立具有实际无人机系统控制增穏、自动驾驶和飞行管理分层架构的飞行控制系统基本结构，直观展示飞行控制系统架构和逻辑以及无人机飞行控制过程，使学生可以更深入理解所学理论知识，也能够通过实际的飞行现象，建立无人机系统应用的相关概念。

技术路线

TECHNICAL ROUTE

系统基于模型的设计理念，支持MWorks、Matlab/Simulink等多种图形化建模语言，支持学生以直观的方式设计和修改飞行控制律结构和参数，同时采用模块化的飞行控制软件架构，可以分模块进行实验。
项目研究技术方案如下图所示：
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本平台可划分为以下几个子系统，具体组成如下：


适配专业：可满足电子、控制类以及无人驾驶航空器相关专业教学的需要，并缓解课程设计、实习实训、毕业设计的使用压力。
适配课程：自动控制原理、机械制图、MATLAB仿真系统概论、模拟电子技术基础、数字电子技术基础、C语言程序设计、单片机技术、传感器与检测技术、空气动力学、无线电遥控技术、飞机原理与构造、无人机构造与制作、无人机故障诊断等
分系统设计

SUBSYSTEM

01

无人机飞行控制律仿真实验系统



本系统主要通过无人机和飞行控制系统的数学模型仿真飞行过程，通过图形化界面展示无人机飞行控制结构和飞行管理逻辑，并通过三维动画展现无人机飞行控制效果。

整个实验系统以无人机系统为应用核心，飞行摇杆通过USB向动力学模拟器发送控制指令，动力学模拟器将控制指令和反馈信息通过USB串口发动给控制器，控制器根据控制指令和反馈信息计算控制量输出，发送给动力学模拟器，动力学模拟器将位置和姿态信息通过UDP发送给视景软件。实验内容：

无人机飞行动力学与操控特性实验

无人机增穏控制实验

无人机姿态控制实验

无人机轨迹控制实验

无人机自主飞行管理实验

无人机控制律设计实验

02

无人机飞控半实物实验平台
平台以智能装备仿真测试一体化平台Links-Xil和PX4飞控为基础，可用于演示无人机飞行控制系统的具体工作原理，使学生直观感受无人机飞行控制系统的内部工作过程，也可用于多旋翼、固定翼等小型无人机飞控系统设计验证，飞控快速控制原型， PIXHAWK和APM开发，硬件在回路仿真实验等。平台主要包括实时仿真机、电动三轴转台、三维飞行视景系统、遥控器和飞行控制器等。
数学仿真实验

MATLAB/Simulink基础仿真实验

四旋翼/固定翼姿态控制仿真实验                  

控制器快速原型开发实验

多旋翼/固定翼飞控快速原型                       

三轴转台快速原型控制实验

半实物仿真实验

半实物仿真接口测试实验                 

单轴/三轴姿态控制半实物实验               

外部环境扰动半实物实验

传感器误差半实物实验                     

半实物飞行视景控制实验

03

无人机地面站仿真系统
本系统主要模拟无人机“机站链”一体化控制结构和人在回路中的无人机控制方式，实现地面操控员与无人机飞行控制系统的交互，使学生认识和体会无人机飞行控制和飞行管理的全过程。实验内容：

无人机飞行动力学仿真实验

控制代码自动生成实验

硬件在回路仿真测试实验

无人机手动控制实验

无人机半自主控制实验

无人机自主控制实验

04

无人机飞控硬件设计与实验系统
本系统主要通过实际无人机飞行过程，使学生理解无人机飞行控制系统的实际工作过程和实际现象，使学员对飞行控制原理建立直观的理解，提高学员的学习兴趣，辅助学员建立无人机系统飞行的整体认识。同时也可作为学员课外创新，提高动手能力的实验平台。
4.1 四旋翼无人机实验系统


四旋翼无人机实验系统采用先进的基于模型的设计（MBD）开发思路，可支撑控制系统飞行仿真实验、飞行控制实验以及视觉伺服控制实验，具备模型编译、下载、数据监视记录、后处理等完成的工具软件，能够帮助学生熟悉整套控制系统设计流程。实验内容：

四旋翼基础认知实验（结构与飞行原理、坐标系、传感器校正、数学建模等）；

四旋翼自动控制实验（时域分析、频域分析、根轨迹、系统校正等）；

四旋翼飞行仿真实验（数字仿真、任务规划、飞行视景等）；

四旋翼无人机接口验证性实验（数据采集、姿态监视、图像识别、数据滤波等）；

四旋翼飞行控制实验（姿态控制、任务规划、视觉伺服控制等）

4.2 垂直起降无人机实验平台
垂直起降无人机实验系统由无人机实验平台、地面控制工作站、数据链路地面端和RTK地面基站组成。该实验系统主要用于垂直起降固定翼无人机飞行控制系统设计验证，以及通过实际操作全自主任务实际飞行，了解垂直起降固定翼无人机的飞行控制机制和操作流程。实验内容：

飞行控制器调参实验
自主飞行任务实验

4.3 滑跑起降固定翼无人机实验平台
平台包括飞行平台、飞行控制器、遥控器、地面站、差分GPS系统、摄像头、数传图传模块，以及保证无人机可靠飞行的其它附属设备。平台可在具备跑道的外场条件下开展实验，能够实验无人机全过程的飞行控制。
无人机飞控硬件设计与实验系统的飞行控制器提供完整飞行控制程序源代码及控制模型，并包括主要代码的说明文档和流程图，采用与仿真系统一致的模块化飞行控制律软件架构，支持MWorks、MATLAB/Simulink等多种图形化建模仿真软件。

总结

SUMMARIZE

基于MBSE的无人机飞行控制教学实验室具有以下重要价值：

培养系统工程思维，强化实际应用能力：通过MBSE方法论，学生将学会从系统整体角度思考和设计，培养跨学科、综合性的系统工程思维，另外实验室能够让学生在模型层面实际设计、验证和优化无人机飞控系统，将理论知识应用于实际情境中，提升他们解决复杂实际问题的能力，这些也将使学生在就业市场上更具吸引力，能够胜任更多跨领域职位。

低风险低成本，激发创新思维：在虚拟仿真环境中，学生可以低成本、低风险地进行多次设计迭代和优化，而不受物理限制。他们可以快速地尝试不同的设计方案，分析结果，做出改进，从而激发创新思维。

促进学术研究，支持行业合作与创新： 实验平台兼具科研用途，可为教师和学生开展系统工程、无人机技术等领域的学术研究提供平台，推动学科的深入发展，另外还可与行业合作伙伴合作，解决实际问题，促进技术创新和产业升级。

关于我们

北京灵思创奇科技有限公司基于正向设计方法论MBSE,提供智能装备仿真测试一体化平台LINKS-XIL及轻量级数字孪生体解决方案，是国内第一家提出小型化、原型化、场景化、标准化工业数字孪生平台厂商。落地于无人系统，机器人，电机伺服控制等垂直产业场景，服务于国防军工，商业航天，汽车，能源电力及工厂自动化等行业，辅助装备的研发设计，虚拟测试及验证，缩短研发周期，降低研发成本，提升研发效率。
除服务于工业场景，我司产品在高校工程教育及科研领域，如航空航天、机器人工程，自动化，电气工程，车辆工程，人工智能等专业广泛应用，可提升学生和老师的工程能力和创新能力。基于先进的科研产品，客户已先后发表50多篇高水平SCI/EI论文。灵思创奇是北京市2021年首批专精特新企业，产品软硬件均拥有自主知识产权，在多个工业领域实现进口产品替代。往/期/回/顾

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