一、建設背景

隨著無人機在各個領域的快速發展和廣泛應用，對于培養適應時代需求的高素質人才提出了更高的要求。無人機不僅僅是一種工具，更是一門涵蓋自動控制、機械、電子、計算機等多學科知識的綜合技術。在這一背景下，建設無人機飛行控制教學實驗室成為高校不可少的重要舉措。通過這個實驗室，可以為學生提供實踐培訓的機會，讓他們深入了解無人機飛行的基本原理和控制技術，培養他們的創新能力、解決問題的能力以及團隊合作意識。此外，無人機飛行控制教學實驗室也有助于高校與相關產業界緊密合作，促進科研成果的轉化和實際應用，為推動無人機技術的發展和培養適應未來社會需求的人才做出積極貢獻。

二、無人機飛控設計與仿真實驗室建設方案概述

無人機飛行控制教學實驗的建設采取虛實結合、循序漸進的方式，開展無人機飛行控制系統軟件仿真實驗，硬件在環仿真實驗和實飛驗證實驗，幫助學生建立無人機飛行控制系統的整體概念、理解無人機飛行控制系統的體系結構。

本實驗系統立足本科教學需求，兼具科研用途。采用符合實際無人機的動力學模型，建立具有實際無人機系統控制增穏、自動駕駛和飛行管理分層架構的飛行控制系統基本結構，直觀展示飛行控制系統架構和邏輯以及無人機飛行控制過程，使學生可以更深入理解所學理論知識，也能夠通過實際的飛行現象，建立無人機系統應用的相關概念。

三、無人機飛控設計與仿真實驗室建設方案總體系統設計

本系統基于Matlab/Simulink環境開發，基于模型的設計理念，使學生以直觀的方式設計和修改飛行控制律結構和參數，同時采用模塊化的飛行控制軟件架構，可以分模塊進行實驗。

項目研究技術方案如下圖所示：

本平臺可劃分為以下幾個子系統，具體組成如下：

四、分系統設計

4.1 無人機飛行控制律仿真實驗系統

本系統主要通過無人機和飛行控制系統的數學模型仿真飛行過程，通過圖形化界面展示無人機飛行控制結構和飛行管理邏輯，并通過三維動畫展現無人機飛行控制效果。

4.2 無人機飛行動力學與飛行控制實時仿真與驗證系統

主要演示無人機飛行控制系統的具體工作原理，包含實際的飛行控制系統傳感器，利用轉臺等輔助裝置模擬無人機的飛行動態，實現飛行控制系統硬件在環工作，使學生直觀感受無人機飛行控制系統的內部工作過程。該實驗系統以演示性實驗為主，同時支持傳感器濾波實驗的開展。

4.3無人機地面站仿真系統

本系統主要模擬無人機“機站鏈"一體化控制結構和人在回路中的無人機控制方式，實現地面操控員與無人機飛行控制系統的交互，使學員認識和體會無人機飛行控制和飛行管理的全過程。

4.4 無人機飛行控制系統硬件設計與實驗系統

本系統主要通過實際無人機飛行過程，使學生理解無人機飛行控制系統的實際工作過程和實際現象，使學員對飛行控制原理建立直觀的理解，提高學員的學習興趣，輔助學員建立無人機系統飛行的整體認識。同時也可作為學員課外創新，提高動手能力的實驗平臺。

4.5 多旋翼無人機實驗系統

多旋翼無人機實驗系統支持全機臺架調試和飛行控制器電動三軸轉臺調試，能夠提供動力學建模、姿態濾波、姿態控制律等基礎實驗。

4.6 垂直起降無人機實驗平臺

采用具有垂直起降功能的固定翼飛機作為實驗平臺，既具有旋翼無人機能夠垂直起降，節省空間的優點，又具有固定翼無人機的飛行特性和控制結構，適合于在不具備跑道條件的情況下開展飛行控制實驗。

能夠實現可靠平穩的懸停飛行、固定翼平飛以及過渡轉換飛行；能夠開展飛行模態轉換、控制增穏、航點飛行等實驗內容。幫助學員理解和掌握自動控制模態管理的過程。

硬件指標參數：

機身長度：1400mm；

最大起飛重量：8kg；

翼展：2160mm；

巡航飛行時間：80min；

巡航速度：18m/s；

懸停飛行時間：20min；

最小起飛場地：5m*5m；

通訊控制范圍：15km

故障保護：失控保護、自主返航、失速旋翼輔助等安全保護功能

本系統硬件包括飛行平臺、飛行控制器、遙控器、地面站、差分GPS系統、數傳圖傳模塊，以及保證無人機可靠飛行的其它附屬設備；

本系統的飛行控制器提供完整飛行控制程序源代碼及控制模型，并包括主要代碼的說明文檔和流程圖，采用與仿真系統一致的模塊化飛行控制律軟件架構，支持基于MATLAB/Simulink的MBD設計方式。

4.7 固定翼無人機實驗平臺

固定翼無人機實驗平臺能夠模擬真實無人機裝備的飛行過程，同時與仿真實驗采用相同的飛行控制律結構。固定翼無人機實驗平臺在具備跑道的外場條件下開展實驗，能夠實驗無人機全過程的飛行控制，具有模擬真實裝備的飛行流程和控制律結構，使學員建立無人機飛行全過程的基本認識，理解無人機飛行控制特點。

飛機硬件指標參數：

機身長度：800mm。

空機重量：1000g。

翼展：1600mm。

最大起飛重量：5kg。

擬采用翼展1.6m以上，技術成熟飛行穩定的電動固定翼模型飛機為平臺，并采用與仿真系統一致的飛行控制器硬件和飛行控制律軟件架構，從而驗證控制律的實際效果。

五、總結

該實驗室可以為學生提供真實的操作環境，讓他們親身參與無人機的設計、組裝、編程和飛行控制等環節。通過動手實踐，學生可以更好地理解飛行器的工作原理，掌握飛行控制的關鍵技術，培養解決實際問題的能力。此外，實驗室也為學生提供了與多學科交叉融合的機會，如自動控制、機械設計、電子工程、計算機編程等，從而培養出更全面的工程人才。

無人機飛行控制實驗室還有助于推動科研創新。學生和教師可以在實驗室中開展飛行控制系統的研究，探索新的控制算法、傳感器技術和自主飛行策略。這不僅可以豐富科研成果，也可為無人機技術的進一步發展做出貢獻。

此外，實驗室還能與產業界建立緊密聯系，開展合作研究和項目，促進技術轉化和產業化。學生通過實際合作項目，可以更好地了解市場需求，培養創業意識，為未來的就業和創業奠定基礎。