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大纲
1.多旋翼
2.教育的新需求
3.实验平台
4.课程设置
5.小结
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3
常见飞行器分类
(a)固定翼 (b)直升机 (c)多旋翼
（1）固定翼优点：续航时间最长、飞行效
率最高、载荷最大缺点：必须要助跑，降落的时
候必须要滑行
多旋翼
（2）直升机优点：垂直起降缺点：续航时间没有优势，
机械结构复杂、维护成本高
（3）多旋翼优点：垂直起降、机械结构简单、
易维护缺点：载重和续航时间都更差
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四旋翼的操控
（1）升降运动 （2）前后运动 （3）左右运动 （4）偏航运动
简 单 !
多旋翼
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无人机的评价
固定翼 直升机 多旋翼
易用性 + + +++
可靠性 +++ + +++
勤务性 ++ + +++
续航性 +++ ++ +
承载性 +++ ++ +
刚性体验让人们选择了多旋翼，无人机教育从多旋翼入手
刚
性
体
验
运动相互解耦
无机械磨损
结构简单、模块化
多旋翼
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传统和新形势人才对比总师
副总师
各个方向的
工程人员和
保障人员
人员多
分工细
经验多
资源多
人员少
一肩挑
经验少
资源少
缺CTO！！！
传统 新形势
教育的新需求
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新形势人才需求（技术能力）
实践
理论
理论• 构型和结构设计
• 动力系统设计
• 控制模型建立
• 状态估计
• 控制器设计
• 路径规划决策逻辑
• 健康评估、失效保护
• ……
实践
• 开发工具
• 操作系统
• 软件编写
• 代码调试
• 试飞
• ……
《多旋翼设计与控制》课程 ？？？？知行合一
全栈工程师，也叫全端工程师，英文Full Stack
developer。
是指掌握多种技能，并能利用多种技能独立完成产品的人。
教育的新需求
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人才转化（教育+再教育）
教育的新需求
自动化、电子和
计算机专业等工科
教育
航空专业复合人才
如何降低学习门槛？：新工具+新教程
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实验平台
Pixhawk：
微小型飞行
器用得最广
泛的自驾仪
硬件
Matlab：
自动化专业
用得最广泛
的语言之一
多旋翼：
航空领域用
得最多的飞
行器
基于模型开发
需求识别与建模
SysML环境
多旋翼模型 飞控自驾仪算法
Matlab/Simulink环境
实时自动测试平台 飞控板
代码生成代码自动生
成与烧录
多旋翼无人机原型
机
产品
设计
文档
硬件在环仿真
飞行测试
软件在
环仿真
+
动力系统+机架+气动外
形设计方案
设计优化
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11
专业课程设计及综合实验是自动控制教学计划中必备的教学环节。课
程设计的目的就是让学生在学习“自动控制原理” 等专业课之后，
运用所学专业技术基础课及专业课知识，进行控制系统的详细设计，
使学生在综合运用专业理论解决工程问题方面得到实际锻炼。
由于飞行控制相关课程工程实践性很强，仅仅通过理论学习，很难掌
握飞行控制技术的精髓。本课程提供建立完成的多旋翼模型的数学模
型以及基于该数学模型设计的处理器在环仿真软件。
课程设置
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本平台提供的例程可以保证每个实验或者每个版块的实验可
以被单独完成
为了使任务目标有差异化，我们课程可以按照一种递进的结
构完成。递进路线可以分为：
（1）设计和建模实验 -〉控制实验
（2）设计和建模实验 -〉控制实验-〉决策实验
（3）设计和建模实验 -〉估计实验-〉控制实验-〉决策实验
需要设计不同的飞行器，这样将会使模型各不相同，而且建
模方法也可以各不相同，控制实验的设计也各不相同。
教师还可以自行增加附加实验
决策实验
控制实验
估计实验设计和建模实验
实验一.多旋翼动力系统设计
实验二.多旋翼建模
实验三.多旋翼传感器标定
实验四.多旋翼滤波器设计
实验五.多旋翼姿态控制器设计
实验六.多旋翼定点位置控制器设计
结束可以引入滤波结果作为控制器输入
可以选择基于模型来设计滤波器
可以有不同的多旋翼设计
实验七.半自主多旋翼飞控决策设计
实验八.多旋翼失效保护逻辑设计q 多旋翼路径跟随控制器设计q 多旋翼跟踪控制器设计q 多旋翼避障控制器设计
可以自主设计新实验
结束可以作为底层控制服务
于决策
q 多旋翼区域覆盖决策设计
结束
基于标定结果来设计滤波器
基于实验七结果来设计保护逻辑
开始
开始
开始
可以自主设计新实验
课程设置
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课程设置
每个小实验可以包括由浅入深的三个实验基础实验、分析实验和设计实验。如表1所示，每个实验的侧重与内容有所不同。
类型
目的和内容基础实验 分析实验 设计实验
熟悉过程 √ √ √熟悉分析 \ √ √熟悉设计 \ \ √
进行数字仿真 √ √ √进行处理器在环仿真 √ √ √
表1. 实验类型、实验目的和内容
在整个过程中，学生必须熟悉整个快速开发流程
深入分析系统的组成和原理，建立合理的数学模型
通过了解系统原理及设计方法，进行合理的方案设计
需要掌握多种现代工具，开发和计算机仿真时需要熟练掌握MATLAB和Simulink软件、FlightGear软件。
处理器在环仿真测试时学习使用处理器在环仿真软件，Pixhawk自驾仪及遥控器的使用。
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小结
因为多旋翼飞行器设计与控制属于复杂工程问题，它完全覆盖工程教育认证标准
所有内容。下面选择主要的几点进行说明。
（1）工程知识。多旋翼各类需求的建模以及滤波、控制和决策算法设计“能够将数学、
自然科学、工程基础和专业知识用于解决复杂工程问题”。
（2）问题分析。多旋翼建模和算法设计以及调试“能够应用数学、自然科学和工程科
学的基本原理，识别、表达、并通过文献研究分析复杂工程问题，以获得有效结论”。
（3）设计/开发解决方案。多旋翼整个系统设计以及测试飞行体现“将能够设计针对
复杂工程问题的解决方案，设计满足特定需求的系统、单元（部件）或工艺流程”。
因为多旋翼飞行器的危险性，需要遵守相关法律法规，进行合法测试和飞行，可以体
现“并能够在设计环节中体现创新意识，考虑社会、健康、安全、法律、文化以及环
境等因素”。
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小结
（4）研究。多旋翼建模和算法设计体现“能够基于科学原理并采用科学方法对复杂工程问题进行研究，包括设计实验、分析与解释数据、并通过信息综合得到合理有效的结论”。
（5）使用现代工具。在多旋翼系统开发过程中，需要很多工具，比如机体设计分析工具、流体分析软件、力学测试工具，操作系统，算法设计工具，还可能包括半物理仿真工具等快速原型开发工具等。这可以体现“能够针对复杂工程问题，开发、选择与使用恰当的技术、资源、现代工程工具和信息技术工具，包括对复杂工程问题的预测与模拟，并能够理解其局限性”。
（6）工程与社会。需要设计者有一定的创新能力，挖掘多旋翼飞行器的应用场景。这能体现“能够基于工程相关背景知识进行合理分析，评价专业工程实践和复杂工程问题解决方案对社会、健康、安全、法律以及文化的影响，并理解应承担的责任”。
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小结
（7） 个人和团队。多旋翼飞行器开发一般是需要一个小型团队，这很好满足“能
够在多学科背景下的团队中承担个体、团队成员以及负责人的角色”这一需求。
（8） 沟通。对于多旋翼作品的展示，需要学生有相应的能力。这能够体现“就复
杂工程问题与业界同行及社会公众进行有效沟通和交流，包括撰写报告和设计文稿、
陈述发言、清晰表达或回应指令。并具备一定的国际视野，能够在跨文化背景下进
行沟通和交流”。
资源
2019/3/28 17
(1) 关于线上线下课程相关信息：
http://rfly.buaa.edu.cn/course.html
(2)课程讨论区
https://flyeval.com/forum
(3) 关注可靠飞行控制研究组公众号 buaarfly
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谢 谢！
