基于LabVIEW虚拟仪器的多旋翼飞行器控制仿真研究

王祝

摘 要：多旋翼无人机的飞行控制是当前无人机研究领域的一个热点，目前的控制设计多采用Matlab/Smiulink进行数值仿真验证，仿真环境中较少考虑机载设备的作用。而在无人机原型开发过程中，又多采用现场调试的方法，但这种方法不利于实现控制算法及参数的快速更改。为提高对飞行控制算法的开发效率，文章设计并实现了一种多旋翼无人机可视化半实物仿真平台。实现飞行俯仰、滚转角、偏航角的控制；基于LabVIEW完成3D显示，人机交互界面和数据动态显示；完成了基于LabVIEW飞行姿态控制的仿真平台的研制，实现了飞行姿态控制仿真演示和飞行姿态控制半开放仿真设计，实现效果达到预期实验设计目标。

关键词：多旋翼飞行器；虚拟仪器；LabVIEW；半实物仿真；3D显示

1 概述

随着航空技术的进步，飞机从客车、火车、轮船等交通运输工具中脱颖而出，逐渐成为我们不可或缺的日常交通工具之一，并成为国际间运输的主要交通工具。数据显示，飞机承担着大部分的国际客运及货运任务，分别占据国际客运、货运总数的60%和70%以上，是完成国际间运输的重要运输方式。此外，飞机具有更舒适、安全的特点。飞机在飞行时，受到自然环境的影响和阻碍相对较小，在航班的增减上也更为灵活，可以根据客流量、货物量的变化及时作出调整。但是，飞机和其他交通工具一样，同样存在安全上的问题。飞机的事故多发在起飞和降落的过程当中，在这两个阶段，飞机容易出现因故障而导致失速的现象，这些事故对生命和财产都造成了巨大的损失，因此，改善、解决这一问题成为了当前的重要任务之一。为解决这一问题，自转旋翼机应运而生。旋翼飞机是一种旋翼航空器，这种航空器利用旋翼自转产生的动力来提供飞机所需的升力，在此过程中旋翼借助前飞时产生的相对气流完成自转；而动螺旋桨则由发动机带动，直接为旋翼机提供前进力。

文章将在分析飞机飞行时涉及到的运动原理作出分析，并从静态指针和动态指针两个方面对稳态误差、上升时间、超调量进行确定，此外建设简化模型，对控制系统进行探讨。

2 旋翼飞行的基本原理

旋翼飞机同时具有旋翼和一副螺旋桨，这副螺旋桨呈水平放置状态，为旋翼飞机提供前进的动力。这种飞行器介于飞机和直升机之间，它的旋翼和发动机系统不相连，旋翼的转动靠的是飞机飞行时产生的气流而非发动机，前方的气流使旋翼转动，从而产生升力；这个过程类似于风车的转动，旋翼系统只在预旋时靠自身的力量旋转，而后全凭空气的作用力来实现旋转。与之相反的，直升机的旋翼与发动机系统是相连的，能一并提供直升机飞行时需要的升力与动力，类似于电扇的运转。旋翼飞机的旋翼是自转式的，这使得旋翼飞机受到扭矩的影响较小，所以通常只需装上尾翼控制飞机的飞行即可。旋翼在旋翼机的飞行中提供了绝大部分甚至全部的升力，固定机翼在此机种飞行时则呈现了可有可无的状态。

3 MatLab与LabVIEW的比较

3.1 MatLab介绍

MatLab是面向科学与工程计算的高级语言。是由Mathworks公司推出的一种以矩阵为基本编程单元的程序语言。其编程效率、可移植性和可读性都明显高于其他高级语言。它是一套高性能的数值计算可视化软件。由于该软件具有丰富的控制理论、容易使用和矩阵运算功能强与CAD应用程序集等特点，MATLAB已成为国际控制领域内最流行的控制系统的计算机辅助设计软件。

3.2 LabVIEW图形化编程语言介绍

LabVIEW（Laboratory Virtual Instruments Engineering Workbench）是美国 NI公司（National Instrument Company）推出的一种基于G语言（Graphics Language，图形化编程语言）的虚拟仪器软件开发工具。它为不熟悉文本语言编程的设计者在测控领域建立计算机仪器系统——虚拟仪器，提供了一个便捷、轻松的图形化设计环境。LabVIEW具有强大仪器驱动和实验仪器图形显示，LabVIEW使用的是科学家和工程师们所熟悉的术语，还使用了很易于识别的构造G语言的图形符号，即使具有很少编程经验的人也能学会使用LabVIEW，图形化程序设计编程简单、直观、开发效率高，如果你好好使用LabVIEW，你就会发现他几乎包含了所有测控技术中需要用到的模块，而这些模块如果自己编写是极其费力的。另外，大部分人现在涉及的gpib开发估计也仅仅是数据采集部分而已，但是一个完整的测控系统，数据采集仅仅是开始，更重要的数据后处理，这里，LabVIEW就更加显得功能强大了。

3.3 MatLab与LabVIEW比拼

LabVIEW又称为G编程语言，是一种基于非文本的图形编程语言，LabVIEW借助图形符号来描述程序，从而完成编程。LabVIEW具有强大仪器驱动和实验仪器图形显示，LabVIEW不仅使用了工程师、科学家们熟悉的术语，还运用了易于识别的构造G语言的图形符号，便于编程经验少的人学习、使用，图形化程序设计编程简单、直观、开发效率高，若运用得好LabVIEW，就会发现它几乎包含了所有测控技术中需要用到的模块，而这些模块如果自己编写是及其费力的，另外，大部分人现在涉及的gpib开发估计也仅仅是数据采集部分而已，但是一个完整的测控系统，数据采集仅仅是开始，更重要的数据后处理，这里，LabVIEW就更加显得功能强大了。

4 飞行器控制设计与实现

4.1 程序设计

对于实时仿真，可以在LabVIEW中使用3D画面来形象地反映飞机的飞行状态。主要程序及显示结果见图1和图2。

图1飞行器外形创建主程序图

4.2 飞行姿态控制

这里主要采用基于修正的PID算法，因为设计不同，控制器开放程度不一样，具体设计不做详细讲解，控制选择如图3所示。

（1）仿真运行。打开“控制界面”应用程序，保留默认设置，如图3所示。俯仰、滚转参数选择原参数，航向控制选择程序化控制。把摇杆开关拨到“运行”一边，仿真开始。其中控制器PID参数可调，可以通过仿真平台学习PID参数整定方法，直观看到整定效果。可看到飞行画面中的飞机开始相对地面运动，键盘上的“Insert”和“Delete”键可调节观察远近；“Home”和“End”键可使观察点绕飞行器水平转动；“PageUp”和“PageDown”键可使观察点绕飞机垂直转动。

（2）采用键盘控制可观察俯仰、滚转角、偏航角控制效果。开始仿真后，键盘上的“↑”和“↓”方向键分别用来增大和减小俯仰角的设定值，也可以在“设定值”栏中输入俯仰角的具体角度。“航向控制选择”下拉列表改选为“手动控制”，键盘上的“←”和“→”方向键分别用来增大和减小滚转角的设定值，同理也可以在“设定值”栏中输入滚转角的具体角度。“航向控制”选择下拉列表改回“程序化控制”键盘上的“D”和“A”字母键分别用来增大和减小偏航角的设定值，同理也可以在“设定值”栏中输入偏航角的具体角度。

5 结束语

文章是基于2014年贵州省教育厅教育科学规划立项课题的青年课题《基于智能小车及多旋翼飞行器设计的电子信息类专业项目式教学研究》完成的，在部分师生已对此项设计进行尝试运行并取得成功的前提下，并得到学校领导的帮助，以及相关基金的资助，正准备引入项目式教学中，利用此项设计完善学校的实验教学。这种新的教学方法不仅能让更多学生参与其中，还能将学生取得的优秀成果运用到实验室的建设工作上，为今后的教学和学生实践提供参考和开设新的实验项目，使得实验资源得到充分利用。

参考文献

[1]王国华，矫振伟，黄海珍，等.Labview软件在热分析实验中的应用[J].实验技术与管理，2007.

[2]查晓春，黄爱华.自动控制原理课程的Matlab辅助教学[J].实验技术与管理，2007.

[3]吴森堂，费玉华.飞行控制系统[M].北京：北京航空航天大学出版社，2005.