基於模型設計之四旋翼機飛行控制系統開發、測試、驗證、與部署
Yang-Rui Li 李洋銳 國立成功大學
無人機系統是一個具有複雜動力學以及軟硬體高度整合之系統，為了實現不同的飛行目標，可能會有不同的傳感器，如：慣性量測元件、全球衛星導航系統、視覺模組、決策與控制之中控電腦等。這也造成在開發初期，會需要耗費巨大之人力與除錯成本，進行各個功能的整合與交叉測試。有鑑於目前開源無人機軟-硬體的興起，在本研究當中，將會應用 Simulink® 中之工具箱，UAV Toolbox Support Package for PX4 Autopilots，來快速地進行控制演算法開發、測試、驗證、與部署。首先，我們會先將無人機的物理模型建置於 Simulink 環境中，根據飛行需求設計對應的飛行控制系統，並進行數值模擬。此一流程稱為軟體在環 (Software-in-the-loop, SIL) 測試，在這個過程中，將會快速地迭代和驗證控制演算法，以符合飛行需求。此一過程有助於減少在真實硬體上測試的風險、成本、以及開發週期。接下來，將會直接部署控制器到實際的 Pixhawk 硬體，並與我們在前一個步驟所建置的數位孿生 (Digital Twin) 模型，進行軟-硬體交叉測試，以確保演算法在實現後，能得到在模擬環境一樣的結果，這個過程我們稱為硬體在環 (Hardware-in-the-loop, HIL) 測試。最後，將會進行實際的飛行試驗，以驗證所開發的控制演算法，是否能在真實世界中運行以完成飛行任務。實驗結果表明，透過此工具箱，可快速實現 SIL-HIL 架構下之演算法快速開發、測試、驗證、與部署，有利於各功能模組之分工與大幅減少中間成本花費。