《基于模型的飞行器GNC系统建模》教学大纲 课程编号 课程名称：基于模型的飞行器GNC系统建模 学时数：30 学分：1.5 1052086009 开课时间：春、秋 开课学院：航空航天学院 授课对象：硕士 先修课程：自动控制、飞行控制 一、教学目的 本课程借助国内最顶尖军、民航空总体设计单位（成都飞机设计研究所和四川腾盾科技 有限公司)优势资源，以工作在国家重大项目一线的技术带头人和校内老师为联合教学团队， 打造以航空器真实研发案例（脱密处理）为课程内容的实践类课程，让学生在模拟真实科研 项目的环境中，通过“做中学”掌握专业知识、工程方法，提高对安全苛刻性系统进行分析与 设计能力，从而提高科研能力和综合素质。 1、课程目标 本课程实验集控制、电子、测试、通信、力学为一体，这些学科相互影响、相互耦合， 是典型的多学科设计问题，因此该课程实验对学生的系统思维与对复杂工程问题的解决能力 提出了高要求。学生将通过分组形式通过Matlab(Simulink)、FlightGear等软件完成飞行 器本体数字化建模与分析、控制律设计与仿真、飞行器制作与试飞及协同一体化实验内容。 学生将融会贯通理解飞行器结构、飞行力学、控制、通信原理等课程知识，掌握力等学、控 制、通信等多学科知识的交叉应用，从而提高学生解决复杂问题解决能力，激发学生自信、 探索精神、提高系统思维和创新思维能力。 2、思政目标 通过本课程，不仅能使同学们实现从了解经典飞机研制历程到学以致用自行设计飞控的 逐步提升，还能使同学们实现从感受航空航天力量到用实力传承老一辈航空航天人使命担当 的价值升华，把思想价值引领贯穿专业课教育教学过程中，有效强化学生的使命感、责任感 和“爱祖国、爱航空、爱航天、爱成电”的四爱精神。培育出引领未来社会发展和国防建设的 精英人才。 二、教学内容与要求 本课程分理论和实践教学2部分，共30学时。 理论教学(14学时)： 1、教学内容：
《基于模型的飞行器 GNC 系统建模》教学大纲 课 程 编 号 ： 1052086009 课程名称：基于模型的飞行器 GNC 系统建模 学时数：30 学分：1.5 开课时间：春、秋 开课学院：航空航天学院 授课对象：硕士 先修课程：自动控制、飞行控制 一、教学目的 本课程借助国内最顶尖军、民航空总体设计单位（成都飞机设计研究所和四川腾盾科技 有限公司）优势资源，以工作在国家重大项目一线的技术带头人和校内老师为联合教学团队， 打造以航空器真实研发案例（脱密处理）为课程内容的实践类课程，让学生在模拟真实科研 项目的环境中，通过“做中学”掌握专业知识、工程方法，提高对安全苛刻性系统进行分析与 设计能力，从而提高科研能力和综合素质。 1、课程目标 本课程实验集控制、电子、测试、通信、力学为一体，这些学科相互影响、相互耦合， 是典型的多学科设计问题，因此该课程实验对学生的系统思维与对复杂工程问题的解决能力 提出了高要求。学生将通过分组形式通过 Matlab（Simulink）、FlightGear 等软件完成飞行 器本体数字化建模与分析、控制律设计与仿真、飞行器制作与试飞及协同一体化实验内容。 学生将融会贯通理解飞行器结构、飞行力学、控制、通信原理等课程知识，掌握力等学、控 制、通信等多学科知识的交叉应用，从而提高学生解决复杂问题解决能力，激发学生自信、 探索精神、提高系统思维和创新思维能力。 2、思政目标 通过本课程，不仅能使同学们实现从了解经典飞机研制历程到学以致用自行设计飞控的 逐步提升，还能使同学们实现从感受航空航天力量到用实力传承老一辈航空航天人使命担当 的价值升华，把思想价值引领贯穿专业课教育教学过程中，有效强化学生的使命感、责任感 和“爱祖国、爱航空、爱航天、爱成电”的四爱精神。培育出引领未来社会发展和国防建设的 精英人才。 二、教学内容与要求 本课程分理论和实践教学 2 部分，共 30 学时。 理论教学（14 学时）： 1、教学内容：
(1)国内外先进的无人飞行器其GNC系统所采用的技术方法及未来技术发展趋势。(2 学时) (2)以某型无人飞行器集成开发环境、系统模型的建立、调试与验证方法，并以某型 无人飞行器GNC系统中典型的动力系统(4学时)，飞行稳定性、姿态控制和位置控制(4 学时)为例详细讲解无人飞行器建模原理、方法与步骤。 (3)讲解搭建完成无人机骨架、控制器以及硬件设备的注意事项。(2学时) (4)讲解多机编队协同控制策略与算法及多无人飞行器三维可视飞行仿真平台的使用 方法。(2学时) 2、教学要求：通过理论部分的学习让学生了解先进的无人飞行器其GNC系统所采用 的技术方法及未来技术发展趋势，了解国内真实无人飞行器其GNC系统全生命周期研制流 程、系统方案以及软硬件研发过程，掌握无人飞行器其控制律设计、仿真、验证以及评价方 法以及基于模型的集成设计方法。 3、教学重点：(1)无人飞行器其控制律设计、仿真、验证以及评价方法。(3)基于模 型的集成开发方法。 4、教学难点：掌握无人飞行器其控制律设计。 实践教学(16学时)： 实践教学内容将分为四个层次：基础实验、分析实验、综合设计实验和创新型实验。四 个层次的实验将完成由点到线到面的延续。 课程设计1：基于模型的旋翼飞行器动力系统建模与分析(6学时、基础实验+分析实 验+设计实验) 1、实践教学内容： (1)掌握并理解旋翼无人飞行器动力系统包括螺旋桨模型、电机模型、电调模型、电 池模型的运行原理、性能计算方法及建模方法，提高学生对多旋翼无人飞行器动力系统的理 解： (2)掌握并理解多旋翼无人飞行器刚体动力学模型、刚体运动学模型及控制效率模型： (3)理解并掌握如何寻求多旋翼无人飞行器最佳的动力系统配置方法，即给定一架多 旋翼无人飞行器的悬停时间、最大负载重量和飞行距离等飞行性能能够给出最佳的动力系统 配置。使学生通过自主探究和合作探究教学过程，掌握多旋翼无人飞行器动力系统配置方法， 提高综合分析问题的能力。 2、实践教学要求：
（1）国内外先进的无人飞行器其 GNC 系统所采用的技术方法及未来技术发展趋势。（2 学时） （2）以某型无人飞行器集成开发环境、系统模型的建立、调试与验证方法，并以某型 无人飞行器 GNC 系统中典型的动力系统（4 学时），飞行稳定性、姿态控制和位置控制（4 学时）为例详细讲解无人飞行器建模原理、方法与步骤。 （3）讲解搭建完成无人机骨架、控制器以及硬件设备的注意事项。（2 学时） （4）讲解多机编队协同控制策略与算法及多无人飞行器三维可视飞行仿真平台的使用 方法。（2 学时） 2、教学要求：通过理论部分的学习让学生了解先进的无人飞行器其 GNC 系统所采用 的技术方法及未来技术发展趋势，了解国内真实无人飞行器其 GNC 系统全生命周期研制流 程、系统方案以及软硬件研发过程，掌握无人飞行器其控制律设计、仿真、验证以及评价方 法以及基于模型的集成设计方法。 3、教学重点：（1）无人飞行器其控制律设计、仿真、验证以及评价方法。（3）基于模 型的集成开发方法。 4、教学难点：掌握无人飞行器其控制律设计。 实践教学（16 学时）： 实践教学内容将分为四个层次：基础实验、分析实验、综合设计实验和创新型实验。四 个层次的实验将完成由点到线到面的延续。 课程设计 1：基于模型的旋翼飞行器动力系统建模与分析（6 学时、基础实验+分析实 验+设计实验） 1、实践教学内容： （1）掌握并理解旋翼无人飞行器动力系统包括螺旋桨模型、电机模型、电调模型、电 池模型的运行原理、性能计算方法及建模方法，提高学生对多旋翼无人飞行器动力系统的理 解； （2）掌握并理解多旋翼无人飞行器刚体动力学模型、刚体运动学模型及控制效率模型； （3）理解并掌握如何寻求多旋翼无人飞行器最佳的动力系统配置方法，即给定一架多 旋翼无人飞行器的悬停时间、最大负载重量和飞行距离等飞行性能能够给出最佳的动力系统 配置。使学生通过自主探究和合作探究教学过程，掌握多旋翼无人飞行器动力系统配置方法， 提高综合分析问题的能力。 2、实践教学要求：
(1)能够使用Matlab/Simulink平台构建无人飞行器的螺旋桨模型、电机模型、电调模 型、电池模型、旋翼拉力模型和刚体动力学模型，观察参数变化对多旋翼无人飞行器系统运 行性能的影响： (2)能够根据一架多旋翼无人飞行器的悬停时间、最大负载重量和飞行距离等飞行性 能指标分析出多旋翼无人飞行器最佳的动力系统配置方案： 3、实践重点：旋翼无人飞行器动力系统逻辑建模！ 4、实践难点：旋翼无人飞行器动力系统逻辑建模与逻辑分析验证。 课程设计2：基于模型的旋翼飞行器系统稳定性分析(4学时、分析实验) 1、实践教学内容： (1)理解旋翼无人飞行器机身与机翼气动力模型、阻力模型，重力模型以及无人飞行 器六自由度运动方程模型的建模方法，提高学生对无人飞行器升力、阻力来源的理解，进一 步理解旋翼无人飞行器飞行稳定性： (2)掌握PD控制方法在旋翼无人飞行器位置控制与姿态控制中的应用： (3)理解并掌握如何评估旋翼无人飞行器的飞行稳定性，培养学生科学的思维方法和 科学研究的能力，以及以应用为指向的工程观点。 2、实践教学要求： (1)能够分析旋翼无人飞行器重力、阻力以及无人飞行器六自由度运动对系统稳定性 的影响，观察参数变化对旋翼无人飞行器系统运行性能的影响： (2)能够分析旋翼无人飞行器稳定性及其影响因素，能够从位置控制、姿态控制、控 制分配和电机控制四方面展开讨论并最终通过综合仿真验证控制算法的有效性。 3、实践重点：PD控制方法在旋翼无人飞行器位置控制与姿态控制中的应用。 4、实践难点：GNC系统姿态控制、位置控制逻辑建模及逻辑分析验证，旋翼无人飞行 器的飞行稳定性分析。 课程设计3：旋翼无人飞行器单机设计制造与试飞验证(6学时，综合设计实验) 1、实践教学内容： (1)掌握并理解旋翼无人飞行器硬件选型方法与计算原理，提高学生对多旋翼无人飞 行器理解： (2)掌握并理解旋翼无人飞行器制作组装与调试方法：培养学生科学的思维方法和科 学研究的能力，以及以应用为指向的工程观点。 2、实践教学要求：
（1）能够使用 Matlab/Simulink 平台构建无人飞行器的螺旋桨模型、电机模型、电调模 型、电池模型、旋翼拉力模型和刚体动力学模型，观察参数变化对多旋翼无人飞行器系统运 行性能的影响； （2）能够根据一架多旋翼无人飞行器的悬停时间、最大负载重量和飞行距离等飞行性 能指标分析出多旋翼无人飞行器最佳的动力系统配置方案； 3、实践重点：旋翼无人飞行器动力系统逻辑建模。 4、实践难点：旋翼无人飞行器动力系统逻辑建模与逻辑分析验证。 课程设计 2：基于模型的旋翼飞行器系统稳定性分析（4 学时、分析实验） 1、实践教学内容： （1）理解旋翼无人飞行器机身与机翼气动力模型、阻力模型，重力模型以及无人飞行 器六自由度运动方程模型的建模方法，提高学生对无人飞行器升力、阻力来源的理解，进一 步理解旋翼无人飞行器飞行稳定性； （2）掌握 PID 控制方法在旋翼无人飞行器位置控制与姿态控制中的应用； （3）理解并掌握如何评估旋翼无人飞行器的飞行稳定性，培养学生科学的思维方法和 科学研究的能力，以及以应用为指向的工程观点。 2、实践教学要求： （1）能够分析旋翼无人飞行器重力、阻力以及无人飞行器六自由度运动对系统稳定性 的影响，观察参数变化对旋翼无人飞行器系统运行性能的影响； （2）能够分析旋翼无人飞行器稳定性及其影响因素，能够从位置控制、姿态控制、控 制分配和电机控制四方面展开讨论并最终通过综合仿真验证控制算法的有效性。 3、实践重点：PID 控制方法在旋翼无人飞行器位置控制与姿态控制中的应用。 4、实践难点：GNC 系统姿态控制、位置控制逻辑建模及逻辑分析验证，旋翼无人飞行 器的飞行稳定性分析。 课程设计 3：旋翼无人飞行器单机设计制造与试飞验证（6 学时，综合设计实验） 1、实践教学内容： （1）掌握并理解旋翼无人飞行器硬件选型方法与计算原理，提高学生对多旋翼无人飞 行器理解； （2）掌握并理解旋翼无人飞行器制作组装与调试方法；培养学生科学的思维方法和科 学研究的能力，以及以应用为指向的工程观点。 2、实践教学要求：
(1)学习旋翼无人飞行器硬件（飞行控制器、动力系统与载机平台）选型方法与计算 原理 (2)能够根据给定的无人飞行器飞行环境，载重、最大重量、最大尺寸、最小悬停时 间时，可以在网上根据电机、电调、螺旋桨、电池的生产厂商提供的产品数据选择符合所需 设计要求的无人飞行器动力系统： (3)能够完成旋翼无人飞行器的制作、组装与试飞前调试。 3、实践重点：旋翼无人飞行器的制作、组装与试飞前调试。 4、实践难点：旋翼无人飞行器的调试。 课程设计4：基于棋型的多旋翼飞行器编队协同控制设计与验证(6学时，基础实验+ 创新实验) 1、实践教学内容：包含两个实验项目。 (1)掌握并理解多机编队协同控制策略与算法： (2)掌握多无人飞行器三维可视飞行仿真平台的设计： (3)通过解决多目标的协同控制这一复杂问题，提高学生的系统思维能力与对复杂工 程问题的解决能力。 具体实验1： 己知 (1)硬件方面，遥控器，遥控器接收机，Pixhawk。 (2)软件方面，Matlab220l6b,Simulink Pixhawk Support基于模型开发插件，姿态控制 仿真、调试及硬件在环仿真Simulink模型及相关代码文件。 目标 (1)完成旋翼机单机的仿真，了解控制分配器的作用 (2)查看姿态的阶跃响应，并对系统进行扫频以绘制Bode图，分析其稳定裕度和阶跃 响应。 (3)完成旋翼机（单机）处理器硬件在环仿真。 实验2： 己知 (1)硬件方面，遥控器，遥控器接收机，Pixhawk。 (2)软件方面，Matlab22016b,Simulink_Pixhawk_Support基于模型开发插件，姿态控制 仿真、调试及硬件在环仿真Simulink模型及相关代码文件
（1）学习旋翼无人飞行器硬件（飞行控制器、动力系统与载机平台）选型方法与计算 原理； （2）能够根据给定的无人飞行器飞行环境，载重、最大重量、最大尺寸、最小悬停时 间时，可以在网上根据电机、电调、螺旋桨、电池的生产厂商提供的产品数据选择符合所需 设计要求的无人飞行器动力系统； （3）能够完成旋翼无人飞行器的制作、组装与试飞前调试。 3、实践重点：旋翼无人飞行器的制作、组装与试飞前调试。 4、实践难点：旋翼无人飞行器的调试。 课程设计 4：基于模型的多旋翼飞行器编队协同控制设计与验证（6 学时，基础实验+ 创新实验） 1、 实践教学内容：包含两个实验项目。 （1）掌握并理解多机编队协同控制策略与算法； （2）掌握多无人飞行器三维可视飞行仿真平台的设计； （3）通过解决多目标的协同控制这一复杂问题，提高学生的系统思维能力与对复杂工 程问题的解决能力。 具体实验 1： 已知 （1）硬件方面，遥控器，遥控器接收机，Pixhawk。 （2）软件方面，Matlab2016b，Simulink_Pixhawk_Support 基于模型开发插件，姿态控制 仿真、调试及硬件在环仿真 Simulink 模型及相关代码文件。 目标 （1）完成旋翼机单机的仿真，了解控制分配器的作用 （2）查看姿态的阶跃响应，并对系统进行扫频以绘制 Bode 图，分析其稳定裕度和阶跃 响应。 （3）完成旋翼机（单机）处理器硬件在环仿真。 实验 2： 已知 （1）硬件方面，遥控器，遥控器接收机，Pixhawk。 （2）软件方面，Matlab2016b，Simulink_Pixhawk_Support 基于模型开发插件，姿态控制 仿真、调试及硬件在环仿真 Simulink 模型及相关代码文件
(3)控制协议参见文献“无人机一致性编队飞行控制方法” 目标 (1)在Matlab上建立完整的2-3架多旋翼无人飞行器模型。在姿态模型方面，可以采用 四元数模型、旋转矩阵模型，或者欧拉角模型。 (2)基于多机控制协议实现2-3架无人飞行器编队飞行。 (3)在FlightGear中完成多机编队飞行视景仿真。 2、实践教学要求：(1)通过实际的设计对无人飞行器系统有一个全面认识，(2)使用 Flightgear进行联合仿真对基于模型的全过程开发会有全面的认识：完成了无人飞行器信息 显示系统从建模、仿真、通讯到代码自动生成全过程开发。 3、实践重点：系统逻辑管理、系统界面管理和数据通讯管理的掌握。 4、实践难点：控制律设计、编队控制、数据通讯管理的掌握。 注：课程设计3与课程设计4是学生分组后选取其中之一进行。 三、教学方式 课堂讲授、课堂设计实践。 四、考核方式与成绩评定 考核方式：考查，按组提交课程设计报告。 成绩评定：实验报告包含构建的模型（占50%）+完成实物并室内低空试飞（组装组） 或完成双机协同仿真（视景协同组）（占50%）。 五、教材及主要参考书目 教材： [1]《ANSYS SCADE-Suite建模基础》，荆华等编著.中国水利水电出版社，2018年。 参考文献： [1]《飞机总体设计》李为吉编著.西北工业大学出版社，2012年。 [2]实验指导书。 (大纲撰写人：荆华) (大纲审稿人：
（3）控制协议参见文献“无人机一致性编队飞行控制方法” 目标 （1）在 Matlab 上建立完整的 2-3 架多旋翼无人飞行器模型。在姿态模型方面，可以采用 四元数模型、旋转矩阵模型，或者欧拉角模型。 （2）基于多机控制协议实现 2-3 架无人飞行器编队飞行。 （3）在 FlightGear 中完成多机编队飞行视景仿真。 2、实践教学要求：（1）通过实际的设计对无人飞行器系统有一个全面认识，（2）使用 Flightgear 进行联合仿真对基于模型的全过程开发会有全面的认识；完成了无人飞行器信息 显示系统从建模、仿真、通讯到代码自动生成全过程开发。 3、实践重点：系统逻辑管理、系统界面管理和数据通讯管理的掌握。 4、实践难点：控制律设计、编队控制、数据通讯管理的掌握。 注：课程设计 3 与课程设计 4 是学生分组后选取其中之一进行。 三、教学方式 课堂讲授、课堂设计实践。 四、考核方式与成绩评定 考核方式：考查，按组提交课程设计报告。 成绩评定：实验报告包含构建的模型（占 50%）+完成实物并室内低空试飞（组装组） 或完成双机协同仿真（视景协同组）（占 50%）。 五、教材及主要参考书目 教 材： [1]《ANSYS SCADE-Suite 建模基础》，荆华等编著.中国水利水电出版社，2018 年。 参考文献： [1]《飞机总体设计》李为吉编著.西北工业大学出版社，2012 年。 [2] 实验指导书。 （大纲撰写人：荆华） （大纲审稿人： ）
