谷晏 趙峙堯 劉迪一 許繼平

1 北京工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 北京 100042 2 北京工商大學(xué)人工智能學(xué)院 北京 100048

0 引言

2018年9月17日，教育部、工業(yè)和信息化部、中國工程院發(fā)布《關(guān)于加快建設(shè)發(fā)展新工科實施卓越工程師教育培養(yǎng)計劃2.0 的意見》，深入開展新工科研究與實踐。加快新工科建設(shè)，統(tǒng)籌考慮“新的工科專業(yè)、工科的新要求”，改造升級傳統(tǒng)工科專業(yè)，發(fā)展新興工科專業(yè)，主動布局未來戰(zhàn)略必爭領(lǐng)域人才培養(yǎng)。為促進(jìn)我國從工程教育大國走向工程教育強(qiáng)國，教育部明確要求，以“新工科”理念為先導(dǎo)，凝聚更多共識；以需求為牽引，開展多樣化探索；以項目群為平臺，加強(qiáng)交流合作；以統(tǒng)籌內(nèi)外資源為途徑，加大項目支持。

計算機(jī)控制系統(tǒng)是一門理論與實踐相結(jié)合的課程，采用計算機(jī)控制是工業(yè)現(xiàn)代化、行業(yè)智能化的顯著標(biāo)志。計算機(jī)控制系統(tǒng)課程的教學(xué)應(yīng)突出理論與技術(shù)工程化應(yīng)用的特色，使之與時俱進(jìn)，適應(yīng)國家經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展的要求。該課程通常采用理論教學(xué)和實驗相結(jié)合的方法進(jìn)行教學(xué)，課堂講解傳授理論知識，實踐教學(xué)幫助學(xué)生認(rèn)知、提高應(yīng)用能力[1]。但以往的教學(xué)普遍以課堂教學(xué)研究為重點(diǎn)，而對學(xué)生能否進(jìn)行有效的實踐研究卻不夠重視[2]。尤其傳統(tǒng)的實踐教學(xué)通常采用以驗證為主的實驗方法（根據(jù)實驗原理總結(jié)實驗現(xiàn)象），難以培養(yǎng)學(xué)生的分析與綜合設(shè)計能力，以及整體創(chuàng)新能力，難以實現(xiàn)提高學(xué)生獨(dú)立創(chuàng)新和應(yīng)用能力的教學(xué)目標(biāo)。因此，對計算機(jī)控制系統(tǒng)課程傳統(tǒng)實踐教學(xué)方法的改革迫在眉睫。

各地高校正在積極開展線上教學(xué)與線下教學(xué)相結(jié)合的教育活動。然而線上教學(xué)存在教學(xué)時空、教學(xué)行為分離的缺點(diǎn)，且無法在傳統(tǒng)實驗室開展實驗教學(xué)內(nèi)容[3-4]，在此背景下，搭建虛擬仿真實驗平臺，確保學(xué)生能夠隨時隨地投入計算機(jī)控制系統(tǒng)的實驗課程中，保質(zhì)保量地完成課業(yè)學(xué)習(xí)，成為重中之重。

1 課程改革趨勢分析

計算機(jī)控制系統(tǒng)作為工業(yè)現(xiàn)代化、行業(yè)智能化的重要課程，其教學(xué)應(yīng)突出理論與技術(shù)工程化應(yīng)用的特色，使課程內(nèi)容與時俱進(jìn)，適應(yīng)國家經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展的要求。為主動應(yīng)對新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革的挑戰(zhàn)，服務(wù)國家戰(zhàn)略和區(qū)域發(fā)展需求，推動新工科建設(shè)再深化、再拓展、再突破、再出發(fā)，探索形成中國特色、世界水平的工程教育體系，建設(shè)工程教育強(qiáng)國，計算機(jī)控制系統(tǒng)課程改革趨勢主要體現(xiàn)在以下幾點(diǎn)。

1）結(jié)合最新學(xué)科前沿技術(shù)及被控對象，建設(shè)前沿化、智能化、一體化實踐教學(xué)平臺。

2）發(fā)揮“互聯(lián)網(wǎng)+”的作用，需要建設(shè)全課程的共享課程資源，特別是共享實踐教學(xué)案例使用視頻和文檔，以及虛擬仿真實驗建設(shè)，打造新型的計算機(jī)控制系統(tǒng)在線實踐教學(xué)形式，實現(xiàn)“線上+線下”混合式教學(xué)的創(chuàng)新。

3）建設(shè)基于智能控制、最優(yōu)控制前沿理論的計算機(jī)控制系統(tǒng)“科教一體化”實踐教學(xué)案例庫。

4）在國內(nèi)高校建立計算機(jī)控制系統(tǒng)課程建設(shè)聯(lián)盟，共同推進(jìn)本課程教學(xué)改革建設(shè)，全方位帶動整個自動化專業(yè)的新工科建設(shè)。

5）形成集理論與應(yīng)用于一體的自動化專業(yè)知識體系，讓學(xué)生在有限的學(xué)時內(nèi)掌握反映控制專業(yè)內(nèi)涵的、有用的、前沿的科學(xué)知識和基本專業(yè)技能。

因此，在本課程的實踐教學(xué)中引入多旋翼無人機(jī)案例，搭建多旋翼無人機(jī)飛行控制虛擬仿真實驗平臺，可以將計算機(jī)控制科技前沿融入教學(xué)實踐過程中，也能讓學(xué)生不受時間地點(diǎn)的限制參與實驗項目，符合本課程實踐教學(xué)改革的趨勢，同時也契合當(dāng)前時代背景下計算機(jī)控制系統(tǒng)課程教學(xué)的改革建設(shè)方向。

2 RflySim 仿真平臺簡介

本研究以科教融合為核心，以科研創(chuàng)新能力培養(yǎng)為導(dǎo)向，引入RflySim 仿真平臺，建立以多旋翼無人機(jī)為教學(xué)科研案例的實踐教學(xué)體系，讓學(xué)生能夠?qū)W以致用、求實創(chuàng)新。

RflySim 平臺[5]是由北京航空航天大學(xué)可靠飛行控制組發(fā)布的無人機(jī)飛行控制生態(tài)系統(tǒng)，或者說工具鏈，它基于模型設(shè)計（Model-Based Design,MBD）思想，用于無人系統(tǒng)的控制和安全測試，具有高準(zhǔn)確度水平（可信度高于90%）[6]。因MATLAB/Simulink 支持MBD 的整個設(shè)計階段，故RflySim 選其作為控制/視覺/集群算法開發(fā)的核心編程平臺；同時，因Python 是免費(fèi)的且有豐富的視覺處理庫，RflySim 也支持其作為頂層視覺與集群算法開發(fā)。

RflySim 支持軟件在環(huán)仿真，包括頗具特色的CopterSim、視景系統(tǒng)插件、開發(fā)的模型以及軟件在環(huán)仿真虛擬系統(tǒng)設(shè)計等。其有基礎(chǔ)教育版和商業(yè)版兩種，基礎(chǔ)教育版的RflySim 強(qiáng)調(diào)易用性，使用個人電腦就可以運(yùn)行模型，通過CopterSim 接口與Simulink 中的控制模型進(jìn)行通信；商業(yè)版的RflySim 強(qiáng)調(diào)可靠性，使用FPGA 實時仿真器運(yùn)行模型、傳感器芯片，采用高速通信接口與控制板通信。

3 計算機(jī)控制系統(tǒng)虛擬仿真實踐教學(xué)設(shè)計

本研究基于基礎(chǔ)教育版RflySim 仿真平臺，建設(shè)“1+2+4+1”實踐教學(xué)方案，即1 個平臺搭建實驗，2 個分析實驗，4 個高階自主設(shè)計實驗，1 個課程設(shè)計，共計8 個實驗項目，實現(xiàn)遞階式虛擬仿真教學(xué)，如圖1所示。

3.1 無人機(jī)RflySim 虛擬仿真實驗平臺的搭建

由于控制算法要在虛擬仿真平臺上進(jìn)行部署與飛行實驗，一套可完成基本飛行任務(wù)的多旋翼仿真實驗平臺是必不可少的，本課程選用的RflySim 多旋翼虛擬仿真平臺依賴眾多軟件來實現(xiàn)控制器設(shè)計、代碼自動生成、軟件在環(huán)仿真等功能。

地面計算機(jī)承擔(dān)飛行仿真過程中的控制算法開發(fā)與仿真驗證（開發(fā)與仿真計算機(jī)功能）工作；RflySim 仿真軟件包內(nèi)有安裝腳本，須運(yùn)行安裝命令，完成所有軟件的安裝與配置。仿真軟件包中主要有：Pixhawk Support Package（PSP）工具箱、FlightGear 飛行模擬器、QGroundControl（QGC）地面站、CopterSim 實時運(yùn)動仿真軟件、3D Display 三維可視化視景軟件等。在搭建該虛擬仿真實驗平臺時，根據(jù)實際教學(xué)情況選擇合適配置，等待軟件包安裝部署完成，測試結(jié)果正常，完成該實驗平臺的搭建。

3.2 分析實驗

3.2.1 多旋翼無人機(jī)濾波器分析實驗

對于多旋翼無人機(jī)系統(tǒng)，狀態(tài)估計是控制與決策的基礎(chǔ)，具有十分重要的作用。本實驗將向?qū)W生詳細(xì)講解如何利用線性互補(bǔ)濾波器對傳感器信息進(jìn)行融合，通過指導(dǎo)學(xué)生完成互補(bǔ)濾波器的設(shè)計并對其參數(shù)進(jìn)行分析，帶領(lǐng)學(xué)生理解線性互補(bǔ)濾波器在傳感器濾波中的作用。在本實驗中，教師首先通過基礎(chǔ)實驗指導(dǎo)學(xué)生完成互補(bǔ)濾波器的設(shè)計，然后通過分析實驗要求學(xué)生對互補(bǔ)濾波器的參數(shù)進(jìn)行分析，以加深對互補(bǔ)濾波器的理解并實現(xiàn)靈活應(yīng)用。主要分為三步：1）利用給定的數(shù)據(jù)采集模型和多旋翼無人機(jī)仿真模型中采集的加速度計和陀螺儀數(shù)據(jù)，按步驟完成互補(bǔ)濾波，處理所得數(shù)據(jù)并繪制相關(guān)姿態(tài)角數(shù)據(jù)圖；2）將其與原數(shù)據(jù)解算的姿態(tài)角和仿真模型中自帶姿態(tài)角解算出的數(shù)據(jù)作比較，以理解互補(bǔ)濾波器的優(yōu)點(diǎn)；3）基于上述基礎(chǔ)實驗，將互補(bǔ)濾波器中的參數(shù)值進(jìn)行改變，對所給數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波，分析濾波器參數(shù)對濾波效果的影響。

3.2.2 多旋翼無人機(jī)姿態(tài)控制器分析實驗

在濾波器實驗的基礎(chǔ)上，以多旋翼無人機(jī)的姿態(tài)控制器中的反饋信號能夠被較好地估計為前提，進(jìn)行姿態(tài)控制器分析實驗，讓多旋翼無人機(jī)的姿態(tài)能夠跟隨給定的期望姿態(tài)進(jìn)行變化。在本實驗中，教師將詳細(xì)介紹多旋翼無人機(jī)姿態(tài)控制器的設(shè)計原理以及設(shè)計方法，并為學(xué)生后續(xù)進(jìn)行高階自主實驗打下基礎(chǔ)。本實驗通過基礎(chǔ)實驗-分析實驗，讓學(xué)生逐步掌握多旋翼無人機(jī)姿態(tài)控制器的工作原理以及控制原理，為其后續(xù)高階自主實驗打下基礎(chǔ)。主要分為四步：1）根據(jù)給定案例復(fù)現(xiàn)四旋翼無人機(jī)的Simulink 仿真，分析控制分配器的作用；2）記錄姿態(tài)的階躍響應(yīng)，并對開環(huán)姿態(tài)控制系統(tǒng)進(jìn)行掃頻以繪制Bode 圖，分析閉環(huán)姿態(tài)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定裕度；3）調(diào)節(jié)PID 控制器相關(guān)參數(shù)，以改善控制性能并記錄超調(diào)量和調(diào)節(jié)時間，試得到一組恰當(dāng)參數(shù)；4）使用調(diào)試的參數(shù)后，對系統(tǒng)進(jìn)行掃頻以繪制Bode 圖，觀察系統(tǒng)幅頻響應(yīng)、相頻響應(yīng)曲線，分析其穩(wěn)定裕度。

3.3 高階實驗

3.3.1 多旋翼無人機(jī)動力學(xué)建模實驗

多旋翼無人機(jī)剛體運(yùn)動學(xué)模型跟質(zhì)量與受力無關(guān)，只研究位置、速度、姿態(tài)、角速度等參量，常以質(zhì)點(diǎn)為模型；多旋翼無人機(jī)剛體動力學(xué)模型與一般剛體動力學(xué)模型最大的不同是，拉力方向始終與機(jī)體軸的負(fù)方向一致；控制效率模型根據(jù)旋翼數(shù)量的不同而不同；動力單元模型是以無刷直流電機(jī)、電調(diào)和螺旋槳為一組的整個動力機(jī)構(gòu)，輸入是0 ～1的電機(jī)油門指令，輸出是螺旋槳轉(zhuǎn)速[7-8]。本實驗以上述知識為基礎(chǔ)，讓學(xué)生自主搭建狀態(tài)空間下的多旋翼無人機(jī)動態(tài)數(shù)學(xué)模型。該實驗可以加深學(xué)生對狀態(tài)空間模型的認(rèn)識，同時也能使學(xué)生掌握多旋翼無人機(jī)的運(yùn)動規(guī)律，進(jìn)而有助于其后續(xù)設(shè)計多旋翼無人機(jī)位置控制器和半自主控制器。本實驗主要分為三步：1）首先建立一個基于狀態(tài)空間的模型來研究多旋翼無人機(jī)，其中依次包括動力單元模塊設(shè)計、控制效率模塊設(shè)計、剛體動力學(xué)模塊設(shè)計；2）然后在MATLAB/Simulink 中搭建這個數(shù)學(xué)模型；3）最后添加多旋翼三維模型到FlightGear 中進(jìn)行可視化顯示。實驗步驟依次為建立三維四旋翼模型，配置參數(shù)，放置模型和配置文件，使用MATLAB 驅(qū)動FlightGear。

3.3.2 定點(diǎn)位置控制器設(shè)計實驗

一般而言，位置控制可分為定點(diǎn)控制、軌跡跟蹤和路徑跟隨，其中后兩者都可以轉(zhuǎn)化為定點(diǎn)控制，故此處以定點(diǎn)控制為例。在實驗中，以系統(tǒng)時域特性、Bode 圖和穩(wěn)定裕度為控制基礎(chǔ)，設(shè)計底層控制框架，并采用內(nèi)外環(huán)的控制策略，由內(nèi)環(huán)對多旋翼飛行器姿態(tài)角進(jìn)行控制，外環(huán)對多旋翼飛行器的位置進(jìn)行控制。使用加飽和的PID 控制對多旋翼無人機(jī)進(jìn)行位置控制，避免飛行方向偏離，保障多旋翼無人機(jī)的直線飛行；并加入串聯(lián)校正，實現(xiàn)多旋翼無人機(jī)的定點(diǎn)位置控制。通過該實驗，讓學(xué)生對計算機(jī)控制系統(tǒng)理論以及仿真有更加深刻而全面的理解和掌握，實驗主要分為四步：1）以多旋翼的位置模型為依據(jù)，建立常見的PID 控制方法，在Simulink 中完成位置控制器的設(shè)計，并在3D Display 中顯示仿真效果；2）使用Simulink 中PSP 工具箱生成的代碼，并將其下載到CopterSim中進(jìn)行軟件在環(huán)仿真實驗；3）調(diào)節(jié)PID 控制器的參數(shù)，嘗試得到一組滿意的參數(shù)，讓多旋翼無人機(jī)在時域中達(dá)到較好的控制性能，并使用MATLAB 系統(tǒng)分析工具得到整個開環(huán)系統(tǒng)的Bode 圖，查看相應(yīng)閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定裕度和幅值裕度；4）使用計算機(jī)控制原理中的系統(tǒng)校正方法對多旋翼系統(tǒng)進(jìn)行校正，設(shè)計超前和滯后超前環(huán)節(jié)，分別對位置環(huán)和速度環(huán)實施控制，達(dá)到設(shè)計指標(biāo)，讓多旋翼無人機(jī)在頻域中達(dá)到更好的控制性能，并調(diào)試軟件在環(huán)仿真實驗驗證設(shè)計中的效果。

3.3.3 多旋翼無人機(jī)半自主控制模式設(shè)計實驗

在半自主控制下，多旋翼無人機(jī)姿態(tài)的穩(wěn)定或懸停是由自駕儀實現(xiàn)的，而位置控制是由操作控制器的飛控手實現(xiàn)的。在這種控制方式下，地面站不是必需的，因此，多旋翼的控制量是由兩部分疊加起來的，一部分是遙控器輸出的控制量，另一部分是自駕儀中的自動控制器輸出的控制量。事實上，半自主控制由遙控器和自動控制組成，處于半自主控制下的多旋翼受二者之一控制，根據(jù)自動控制器實現(xiàn)的功能層次，半自主控制分為三種模式：自穩(wěn)模式、定高模式和定點(diǎn)模式。并通過對遙控器的三段開關(guān)5 通道（ch5）的定義完成三種模式的轉(zhuǎn)換。半自主控制的實現(xiàn)基于前面實驗及案例中設(shè)計的位置和姿態(tài)控制器。本實驗將向?qū)W生介紹三種半自主控制模式（自穩(wěn)模式、定高模式和定點(diǎn)模式）及其實現(xiàn)方法，從最基礎(chǔ)的自穩(wěn)模式開始，分3 步讓學(xué)生建立起半自主飛行的知識框架：1）復(fù)現(xiàn)自穩(wěn)模式的仿真，體會自穩(wěn)模式仿真效果；2）在其基礎(chǔ)上將模式改成定高模式，通過實驗分析定高模式與自穩(wěn)模式的不同；3）在自穩(wěn)模式的基礎(chǔ)上將其改為定點(diǎn)模式，并能設(shè)計邏輯實驗進(jìn)行三種模式之間的切換。

3.3.4 多旋翼無人機(jī)失效保護(hù)邏輯設(shè)計實驗

本實驗利用擴(kuò)展有限狀態(tài)機(jī)方法，實現(xiàn)多旋翼無人機(jī)的失效保護(hù)邏輯設(shè)計，通過定義多旋翼的狀態(tài)、飛行模式和可能發(fā)生的事件，將擴(kuò)展有限狀態(tài)機(jī)模型應(yīng)用到自駕儀設(shè)計上，基于此建立狀態(tài)轉(zhuǎn)換條件，以保障飛行安全。需要指出的是，擴(kuò)展有限狀態(tài)機(jī)不僅能實現(xiàn)失效保護(hù)，還能使學(xué)生清晰地觀察和理解決策過程。本實驗主要介紹多旋翼失效邏輯保護(hù)的原理和保護(hù)機(jī)制的設(shè)計，并設(shè)計分步實驗，由淺入深地帶領(lǐng)學(xué)生領(lǐng)會這部分的知識，主要分三部分：1）基礎(chǔ)部分，學(xué)生復(fù)現(xiàn)由手動控制模式到返航模式或著陸模式的切換；2）分析部分，要求學(xué)生更改狀態(tài)的轉(zhuǎn)移條件，實現(xiàn)返航和著陸之間的切換；3）設(shè)計部分，要求學(xué)生實現(xiàn)在多旋翼遙控器失聯(lián)時能夠自動返航著陸。

3.4 課程設(shè)計

學(xué)生使用本課程中的RflySim 平臺，自主完成基于多旋翼無人機(jī)計算機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)，例如多旋翼無人機(jī)集群控制系統(tǒng)設(shè)計、多旋翼無人機(jī)視覺控制方法研究、多旋翼無人機(jī)航跡跟蹤設(shè)計等，對功能的實現(xiàn)不作統(tǒng)一要求，最大程度激發(fā)學(xué)生自主實踐能力和創(chuàng)造力。課程設(shè)計過程中提供實驗硬件以及飛行場地，供學(xué)生申請通過后使用。為確保安全，可在無人機(jī)上系上安全繩，并將安全繩的另一端固定在重物上。另外，應(yīng)在空曠場地上進(jìn)行實驗，以確保GPS 信號良好。

4 結(jié)束語

本文深度融合計算機(jī)控制課程理論知識點(diǎn)與科研前沿多旋翼無人機(jī)案例，基于RflySim 仿真平臺，建設(shè)“1+2+4+1”實踐教學(xué)方案，讓學(xué)生在學(xué)習(xí)基礎(chǔ)計算機(jī)控制理論、算法的過程中，自覺地、主動地探索理論與實踐的結(jié)合點(diǎn)，掌握認(rèn)識和解決問題的方法和步驟，培養(yǎng)學(xué)生“發(fā)現(xiàn)問題-分析問題-解決問題”的基本科研能力，鍛煉學(xué)生的自主能動性，提升學(xué)生的理論創(chuàng)新力。通過建設(shè)基于多旋翼無人機(jī)的計算機(jī)控制系統(tǒng)課程虛擬仿真實踐教學(xué)平臺，強(qiáng)化該課程的實踐教學(xué)，保障并提高了課程教學(xué)質(zhì)量。