NASA实习生开发基于模型设计的四轴飞行器制导、导航和控制软件

NASA MSFC团队寻求一种现实而经济的方式，让他们的实习生有机会直接使用飞行软件和硬件。他们为这个项目选择了四轴飞行器和ArduPilot Mega 2.5硬件，但这种方法带来了一些挑战。

首先，他们需要为本科工程师(其中许多人几乎没有控制设计或编程经验)提供易于学习的工具，他们可以使用这些工具快速开发GNC算法。其次，为了避免损坏飞机，他们需要一个模拟环境，使实习生能够在飞行测试前验证他们的算法。最后，他们需要一种简单的方法，让实习生将算法部署到ArduPilot硬件上，并与ArduPilot板上的加速计、陀螺仪和其他传感器进行交互。

NASA MSFC团队选择了基于MATLAB和Simulink的模型设计作为他们的工程实习项目。

实习生通过mathworks.com上的Simulink教程学习建模、仿真和控制设计，并参加由NASA工程师进行的培训课程。

在从套件中组装四轴飞行器之后，他们在Simulink中建立了六自由度四轴飞行器模型，使用Aerospace Blockset™来建模运动方程。

在Simulink中，他们创建了一个控制器模型，为四轴飞行器提供稳定性增强。为了访问ArduPilot传感器的输入，包括加速计、陀螺仪和磁强计，他们从APM2Simulink Blockset到他们的控制器模型。

他们从Simulink中获取线性模型，用控制系统工具箱™中的SISO设计工具分析增益和相位裕度，然后运行仿真来验证控制系统的性能。他们使用Aerospace Blockset中的一个模块，将模型连接到FlightGear飞行模拟软件，以可视化模拟结果，然后根据这些结果改进他们的设计。

利用Simulink的目标硬件运行功能，实习生将他们的控制器模型直接加载到ArduPilot Mega硬件上进行飞行测试。

他们在MATLAB中对记录的飞行数据进行后期处理，并使用结果微调他们的控制算法和工厂模型。

NASA MSFC工程师目前正在修改他们的实习计划。新版本将使用六轴直升机。ArduPilot Mega硬件将被更强大的Pixhawk处理器所取代，这将使实习生能够结合卡尔曼滤波，实现滑模控制，并处理引擎故障情况。他们将使用嵌入式编码器从Simulink模型中为Pixhawk目标生成C代码^®．