四旋翼用户指南.doc

Quanser Qball-X41. 介绍2. 操作警告3. 必备条件4. 参考5. 系统硬件和软件描述 5.1.主要组成部分 5.2.X4图表 5.3.Qball-X4组成部分 5.3.1.Qball-X4框架 5.3.2.HiQ DAQ 5.3.3.Qball-X4电源 5.3.4.Qball-X4电机和驱动 5.3.5.Qball操纵杆 5.4.Qball-X4模型 5.4.1.激励源 5.4.2.旋转/倾斜模型 5.4.3.高度模型 5.4.4.X-Y坐标模型 5.4.5.偏航模型6. 系统安装 6.1.Qball-X4媒介安装 6.2.Qball-X4传感器 6.3.建立无线连接 6.4.配置Qball目标模型 6.5.仿真文件 6.6.Qball-X4控制器7. 装载电池 7.1.电池装载成分 7.2.电池装载步骤8. 检修指南 8.1.撞机了！怎么办？ 8.2.模型无法建立/连接或QUARC控制台无法顺利打开 8.3.Qball-X4不能被正确读取或被不变的值卡住 8.4.Simulink模型运行慢（仿真时间比实际运行时间长），或控制台出现提示“Sampling rate is too fast for base rate” 8.5.尝试开始Qball-X4模型导致错误“Unable to locate the dynamic link library or shared object” 8.6.建立模型出现错误“Not enough system rewsources are available to perform the operation”,Gumstix电脑硬盘已满 8.7.尝试建立或连接模型出现错误“The file could not be found”1. 介绍 Quanser Qball-X4（Fugure 1）是一个适合一系列UAV研究应用的创新型旋转飞行工具平台。Qball-X4是由安装有10英寸螺旋桨的四个电机驱动的quadrotor直升机设计，整个quadrotor附在一个保护性的碳化纤维笼子里面（Patent Pending）。Qball-X4的专利设计确保安全操作并且能够打开一系列新奇的应用。保护性的笼子是一个重要的特征因为这种无人机被设计在实验室内应用，而实验室有许多典型的内部危险（包括其他机器）。笼子给了Qball-X4一个决定性优势，当工具与障碍物发生碰撞时其他工具将遭受重大的伤害。 测量on-board传感器和驱动电机，Qball-X4利用Quanser的on-board 航电数据获取卡（DAQ）,HiQ和嵌入式Gumstix电脑，HiQ DAQ是一个高分辨率的惯性测量单元（IMU）并且航电输入输出卡用来存储一系列研究应用。QUARC,Quanser的一款即时控制软件，允许研究者和开发者快速通过matlab simulink界面开发和测试实际硬件的控制器，QUARC的开放式建筑硬件和大量的simulink blockset给用户提供强大的控制开发工具。QUARC可以定位Gumstix嵌入式电脑，自动生成编码并管理on-board车辆控制器。飞行时，当控制器管理Gumstix，用户可以及时调整参数， 从a host地面站电脑（PC or laptop）观察传感器测量值。 管理Qball-X4的界面是支持（with）QUARC的matlab simulink。控制器在主机上的Simulink用QUARC研发，并且这些模型被下载，在目标机（Gumstix【2】）上无缝编译成可执行的。这种配置的图表显示在图2. 部分2概括了贯穿手册始终的操作警告，部分3给出了前提条件，部分4列出了手册参考的不同文件。一般的系统描述，组成部分术语，规格和模型参数在部分5给出。部分6详细描述如何安装Qball-X4。部分8包含了检修指导。2.操作警告 这种符号标识特殊的安全警告和为了确保Qball-X4和用户的安全重要的操作步骤。仔细阅读这些警告。如果使用不当Qball-X4是一个强大的并且是潜在的危险工具。使用Qball-X4时要密切注意安全操作步骤。Quanser对Qball-X4操作不当产生的伤害没有责任，在连接电池或尝试运行Qball-X4之前，确保阅读这个文件并且熟悉Qball-X4的安全特征和操作步骤。 处理Qball-X4时，确保没有model正在运行，并且电源已关闭。推荐用户戴上护目镜保护眼睛。 figure 1：Quanser Qball-X4 Figure 2：Communication Hierarchy3.先决条件 成功操作Qball-X4，先决条件是： 1）熟悉Qball-X4的接线和组成成分。 2）安装QUARC版本2.0并取得适当的许可。 3）熟悉使用QUARC控制和实时监控vehicle，通过 Simulink设计一个控制器，看参考【2】有更多的 细节。4.参考 【1】Gumstix：/ 【2】QUARC User Manual(type doc quarc in Matlab to access) 【3】Park 400 Brushless motor-740Kv:/store/product/68199/Park-400-Brushless-Outrunner-Motor-740Kv/ 【4】Propellers description and technical information:/rc-products/APC-10-047-SF-CR.html 【5】Pentium-18A electronic speed controller manual:/upload/manual/ESC_e.pdf5. 系统硬件和软件描述 5.1.主要组成成分 计划此次实验，下列硬件和软件都是必需的：l Qball-X4： Qball-X4在上面figure 1 中显示l HiQ： QUARC飞行器数据获得卡（DAQ）l Gumstix： QUARC目标机，一个嵌入式的，装有QUARC运行时间软件的linux操作系统。【1】l Batteries: 两个三电池室,2500mAh 锂离子电池l Real -Time Control Software:QUARC-Simulink配置，细节见参考2 5.2.X4图表 下面的figure 3是Qball-X4的基本图表，展示了坐标和角度，注意坐标轴遵循右手原则，X轴与前面的vehicel对齐。 Vehicel的尾巴或后面用彩色胶带标识。Vehicel飞行时确定方向是一致的，尾巴朝向操作者，X轴正方向与操作者相反。 figure 3:Qball-X4坐标and符号法则 5.3.Qball-X4组成成分 这些组成Qball-X4的成分被标在figure 4-11，并在table 1中描述。 figure 4:Qball-X4 笼子和框架 figure 5:HiQ DAQ figure 6：HiQ 外壳figure 7:有选择接收输入的HiQ daughterboard Figure 8:Battery switch and connector figure 9:ESCs and battery figure 10:Sonar sensor figure 11:Motor and propeller figure 12:Qball joystick,type AID#DescriptionID#Description1Qball-X4 保护笼子10GPS 串行输入2Qball-X4 框架11电池开关3HiQ DAQ with Gumstix12电池连接器4HiQ惯性测量单元13速度控制器(ESCs)5HiQ带宽伺服输出14LiPo电池6HiQ 盖子15声纳传感器7HiQ daughterboard with 选择接收器16螺旋桨(10x4.7)8接收器输入17发动机9声纳输入18操纵杆,型号ATable 1 Qball-X4 components 5.3.1.Qball-X4框架 Qball-X4框架（#2 in figure 4）是横梁结构，Qball-X4组成成分安装在上面，包括HiQ DAQ,发动机和速度控制器。框架寄托于Qball-X4保护笼子里面（#1 in figure 4）。Qball-X4保护笼子是一个碳化纤维结构为了保护框架，发动机，螺旋桨和嵌入式控制模块（HiQ和Gumstix）在较小的冲突下。笼子不是为了抵挡大的影响或从两米多高的地方坠落。 不要抓着笼子提起Qball-X4因为这样会把压力加在笼子上造成伤害。当像figure 13那样从框架的末端举起Qball-X4运输时，用双手从两边举起框架。 Figure 13：从框架末端捡起Qball-X4 5.3.2.HiQ DAQ HiQ DAQ是Qball-X4的数据接收板。与Gumstix一起嵌入电脑，HiQ通过读取on-board传感器控制vehicle并且输出发动机要求。每个发动机速度控制器（#13 in figure 9）连接一个HiQ上的带宽伺服输出（#5 in figure 5）.在HiQ上有10个有效带宽伺服输出通道标号为0-9并且接地角（伺服电缆上的黑线）位于最接近HiQ板外部边缘。为了provided Qball-X4控制器起作用，每个发动机速度控制器应该以一种特殊的顺序连接起来，Table 2列出了发动机和其标准的匹配伺服通道。这种顺序对控制Qball姿势是非常重要的发动机伺服输出通道Back0Front1Left2Right3Table 2:发动机伺服通道 HiQ有选择子板可能包含附加I/O例如接收输入（#8 in figure 7），声纳输入（#9 in figure 7），和一个TTL连续输入用于GPS接收(#10 in figure 7).如果Qball-X4有一个声纳（#15 in figure 10）它应该连接到在子板上标记的声纳输入通道0。 5.3.3.Qball-X4 激励 Qball-X4使用两组3个2500mAh锂离子电池（#14 in figure 9）激励HiQ 和发动机，这些电池应该垂直堆放并且与框架底部的铝板对齐并确保velcro绳的牢固。试飞Qball-X4前确保电池牢固连接在框架上。连接电池到Qball-X4电池连接器（#12 in figure 8）上前确保电池附在框架上，换电池前保证用开关（#11 in figure 8）关闭电源.如果充电不当锂离子电池是危险的，回顾电池充电过程，飞的同时不断监控电池标准。如果放电到10V以下3-cell锂离子电池是危险的或不能用的。推荐电池一次完全充电达到10V或更低。 5.3.4.Qball-X4发动机和推进器 Qball-X4使用4个E-Flite Park 400(740Kv)发动机【3】（#17 in figure 11），适用于成对的计数旋转APC 10x4.7推进器【4】（#16 in figure 11）。发动机安装在Qball-X4框架上沿着X与Y轴连接在四个同样安装在框架上的速度加速器上【5】。发动机和推进器配置是为了前后的发动机顺时针旋转，左右发动机逆时针旋转。电子速度控制器（ESCs）在1ms（最小节流阀）到2ms（最大节流阀）以带宽输出的形式从HiQ获得命令。Qball-X4中配置的ESCs可以设置节流阀范围。重要的是ESCs最初的带宽输出为最小节流阀值0.05，另外你可以进入程序模式改变ESC设置。回顾ESC指南中关于改变ESC设置【5】的指令。 5.3.5.Qball操纵杆操纵Qball时Qball操纵杆是个决定性的成分。操纵杆允许操纵者使用两根手杖控制节流阀行动（多大的提升力由Qball发动机产生），滚动（旋转Qball向左或右使其向左或右飞行），倾斜（旋转Qball向前或后使其向前或后飞行），偏航（旋转Qball垂直轴改变其方向或heading）使Qball飞行。即使飞行在自动模式也需要操纵杆初始化或当Qball控制器不稳定必须停止时能使Qball和行为作为停止开关。操纵杆有一个标签标出它的类型：TYPE A或TYPE B。确保你使用的相应的TYPE A/B操纵杆模型。如果你不确定你使用的操纵杆类型，联系寻求帮助。6.5.部分描述了用提供的Simulink模型如何使用操纵杆使Qball飞行。 5.4.Qball-X4模型 这部分描述Qball-X4的动力模型。描述用于控制器研发的线性与非线性模型。为了下面的描述，Qball坐标轴被描述（x，y，z）被定义遵守figure 3展示的vehicle。滚动，倾斜，和偏航分别被定义为x，y，z轴的旋转。球体的工作空间轴被表示（x，y，z），被定义为Qball-X4正直放在地上相同的方向。 5.4.1.激励者动力学每个推进器产生的推力被模式化用于第一顺序系统 (1)当u是激励者的脉宽输入，w是激励者带宽，k是一个正的增益。这些参数通过实验计算并验证，陈述在table 3。一个state有效，v被用来表示激励者动力，被定义如下： （2） 5.4.2.滚动/倾斜模型假定x和y轴的旋转被减弱，滚动/倾斜运动轴可以被模拟在figure 14.如figure 14中阐述的，两个推进器分别贡献于两个轴。每个发动机产生的推力可以从Eq（1）和它相应的输入中计算出来。重心附近的旋转由各推力的不同产生。滚动/倾斜角度，可以用下面动力学公式表示： （3）其中 （4）是设备的滚动/倾斜轴的转动惯量，在Table 3中给出。L是推进器与重心之间的距离，并且： （5）代表发动机产生的动力之间的差异。注意动力之间的差异由发动机的输入之间的差异产生，i.e. （6） figure 14：滚动/倾斜轴模型通过把滚动/倾斜轴动力学与每个推进器的激励者动力学结合起来可以导出下列的state space等式： 为了反馈结构中积分器使用方便state矢量加一个fourth state，定义如下： 增加这个state到state 矢量之后，系统动力学可以重写为： =+ 5.4.3.高度模型Qball-X4的在垂直方向上的运动（沿着z轴）受四个推进器的影响。Qball-X4高度的动力学模型可以写为 F是每个推进器产生的推力，M是设备的整体的重量，Z是高度，r和p分别代表滚动和倾斜角度。整体的重量M在Table 3给出。正如等式表达的，如果滚动角和倾斜角不是零，整体的推力矢量将不是垂直地面的。假设这些角度接近于零，动力学等式可以线性化为下列state space形式 =+u+ 5.4.4.X-Y方位模型 Qball-X4沿x轴与y轴的运动由整体的推力产生受滚动/倾斜角的影响。假设偏航角度为零，X轴与Y轴的运动动力学可以写为 假设滚动角和倾斜角接近于零，X与Y方向的线性state space等式可以导出=+u=+u 5.4.5.偏航模型 每个发动机产生的转矩假定有下列关系with respect to PWM输入u： 其中是一个正的增益，它的值在Table 3中给出。偏航轴运动由两个顺时针运动和两个逆时针运动的旋转推进器产生的转矩差异产生。偏航运动模型在figure 15中给出。 偏航轴运动可以用下列等式模式化等式中是偏航角，是关于z轴的转动惯量，在Table 3中给出。发动机的合成转矩可以从下式计算出来：偏航轴动力学可以用state-space形式写为：=+ figure 15：偏航轴模型随着旋转的推进器方向参数值K120Nw15rad/sec0.03kg.0.03kg.M1.4kg4N.m0.04kg.L0.2m Table 3:系统参数6. 系统设置 Setion 6.1描述了安装vehicle硬件。Setion 6.2描述了Qball传感器及其如何被接收。Setion 6.3和Error：Reference source not found描述了配置无线连接来与Qball交流的过程。最后，Setion 6.5和6.6列出了由Qball提供的MATLAB Simulink文件，并详细描述了Qball控制器。6.1.Qball-X4 Vehicle安装 1.首先，检查所有的发动机是否安全固定在vehicle框架上。检查螺旋桨是否以正确的顺序牢固得附着在发动机上：顺时针螺旋桨在前后发动机上（从顶部向下看），逆时针螺旋桨在左右发动机上。注意后面的发动机用鲜明的颜色标示在Qball-X4框架上。检查发动机是否牢固的整齐的在框架上（每飞行两个小时）。一段时间后，框架的震动可能使发动机mounts松动。如果发动机或mount感觉松动，赶紧使其变紧。 如果一个螺旋桨松动，用艾伦内六角扳手移动盖子使其固定在发动机并且确保螺旋桨安装井完全向下直到在电机轴上。用安装井代替螺旋桨，把发动机帽放回原处并用艾伦内六角扳手固定。电池连接后不要再改变螺旋桨或Qball-X4其他组成部分。2. 安装电池。将Qball-X4颠倒放置使其放置在笼子顶部上。将Qball-X4两组电池并排放置，使感光底片位于框架底部上，如图16用维克牢皮带将电池固定.连接电池与电池连接器，将Qball-X4再次正放使其在笼子底部上。 Figure 16：用维克牢皮带固定的电池3. Qball-X4上用两个功率转化器的功率连接在电池连线（#11 in figure 8）上。一分钟之后Gumstix无线模块有效。在主机上连接到GSAH自组织网络。（看section 6.3.建立无线连接）。6.2.Qball-X4传感器这部分描述了在Simulink读Qball-X4传感器和写输出到发动机的模块。QUARC Hardware-In-the-Loop(HIL) 模块被用来与Quanser数据获得卡交流，包括HiQ和Gumstix Verdex。HIL blockset的详细信息看QUARC HIL用户指南在MATLAB help的QUARC Targets/Users Guide/Accessing Hardware下。Table 4列出了被用来与Qball-X4的数据获得卡硬件连接的HIL blocks.BlockDescriptionHIL初始化模块选择DAQ板并且配置板的参数。HIL初始化模块通过板的名字命名参数，其他HIL模块通过他的名字参考相应的HIL初始化。HiQ有一个board-specific选项来选择安装在HiQ上的陀螺仪模型。通过在边境初始化参数输入“gyro_model=16405”或从board_specific选项对话框选择模型来说明陀螺仪模型。gyro_model选项的有效值有：16350,16360,16400，和16405.如果没有指定则默认值是16405.陀螺仪模型号码在陀螺仪标签上找到（#4 in figure 5）。HIL读写块用于从HiQ读取传感器测量值并且写电机命令到Qball-X4马达。用数字频道数字指定的输入输出分别给定在表5和表6中。HIL设置属性块用于在模型执行期间设定某些特定于HiQ的板属性，(注意：在多个模型执行期间属性改变不是固定不变的)。HIL设置属性块可以用来设置整型，双精度型或线型类型。HiQ提供一个整型属性和一个双精度型属性。建议用户在模块参数内部设定属性值，并且只在模块开始时设置属性（见HIL设置属性块的帮助）。 HiQ整型属性被属性码128引用，用来设置陀螺仪范围。这个属性的有效值有75,150和300，分别对应陀螺仪范围为75/s,150/s,300/s.默认陀螺仪范围设置为75/s。 HiQ双精度型被属性码128引用，用来在watchdog停止后设置所有脉宽输出通道最后的脉宽输出（通常在模型停止以后）。对于Qball-X4，建议这个属性设置为0.05（零节流阀）保证在watchdog停止时发动机也迅速停止。这个属性的默认值是0.HIL watchdog用来为监视时钟设置时间限。超出watchdog时间值的一段连续时间内没有收到脉宽输出要求，HiQ watchdog将会触发，强制脉宽输出为0或HIL设置属性块指定的一个值。除非指定否则默认的HiQ watchdog时间值为50ms。如果50ms不合适这个模块可以改变时间值。Table 4：Qball-X4使用的HIL块HiQ提供了几种高分辨率航空电子传感器，用于测量和空中汽车的稳定性控制。HiQ包括：l 10 PWM输出（伺服电机输出）l 使用硬件陀螺仪，射程可配置为75/ s，150/ s或300/ s，决议0.0125/ s/LSB的范围设置75/ sl 使用硬件加速器，3.33毫克/LSB的决议l 6模拟输入，12位，+3.3Vl 使用硬件磁强计，0.5mGa/LSBl 8通道射频接收机输入（可选）l 4Maxbotix声纳输入l 2压力传感器，绝对和相对压力l 输入功率10-20V除了HiQ，Gumstix Verdex提供I/O如下：l 11可配置数字I/Ol 2 TTL串口l 系列GPS输入图17显示了在HiQ DAQ上面列出的I/O的位置。上面列出的HiQ I/O使用QUARC边境仿真访问，Gumstix Verdex数字I/O通过QUARC边境仿真访问，通过QUARC流仿真访问串行I/O，连续GPS通过GPS NMEA块访问。关于访问串行数据的更多信息见QUARC帮助下QUARC 目标/用户的指导/通信。初始化HiQ板，必须在模型中放置一个边境初始化块。仿真初始化块用于初始化数据采集卡和I/O参数设置。在边境初始化块，选择板式hiq_aero配置HiQ数据收集，如果需要，在Board名称字段输入一个名称，如图18所示。接下来，从HiQ读和写，在模型中添加边境读写块(注意当在模型中使用一个单一的边境读写块时HiQ被优化，添加更多的边境I/O模块可能会降低性能，特别是最大采样率)，在边境读写模块中，选择与边境初始化块中相对应的Board名称，HiQ有用的读写通道列在下面的Table 5和6.输入读或写的通道数或者用浏览按钮打开一个像Figure19的通道选择对话框。Figure 17：HiQ DAQ传感器Figure 18：有HiQ块选择的边境初始化块Channel通道类型读通道数描述单位模拟0-5模拟输入V编码器无-数字无-其他3-6声纳输入0-3m3000-3002陀螺仪输入：X,Y,Z轴rad/s4000-4002加速计输入：X,Y,Z轴m/8000-8002磁力计输入：X,Y,Z轴Ga9000,9001相对，绝对压力传感器Pa11000工作功率（电池）%11001电池水平V20000-20007接收输入通道%type Table 5：HiQ输入通道通道类型写输入数描述模拟无脉宽调制0-9伺服输出0-9数字无其他无Table 6：HiQ输出通道Figure 19：HiQ通道选择对话框对Qball-X4，脉宽调制输出0-3用来指挥四个发动机，脉宽调制输出值的范围是0.05-0.10（一个20ms周期的5%-10%），分别对应于一个1ms到2ms的脉冲。一个0.05的指令对应零节流，将引起发动机停止工作。一个0.1的指令对应全节流。 3维陀螺仪和加速计用来测量Qball-X4的动力和方位（翻滚，俯仰与偏航）。磁力计可以作为数字指南针用来测量Qball-X4的高度（偏航角）。这些IMU输入对Qball-X4的飞行控制是至关重要的。Qball的声纳传感器是Maxbotix XLMaxsonar EZ3，以1cm的分辨率测量20cm到765cm之间的距离。0到20cm之间的物体被归为20cm。声纳传感器位于Qball的底部，用来测量闭合回路高度控制的Qball高度。 注意声纳在坚硬的表面工作状态最好，能反映超声波信号。声纳不能工作在地毯或其他表面，可能会分散超声波信号。一般测试声纳先停止发动机输出，举起Qball看声纳是否如预期的正常工作。 HiQ安装了一个相对传感器和一个绝对传感器。因为大气层气压因位置而不同。HiQ上提供电位计调节压力传感器输入。用一个小的螺丝刀调节电位计的绝对压力传感器和相对压力传感器直到读得值大约位于它的范围中间（范围可以通过调整电位计到它的最大最小值来获取）。因此，压力传感器可以测量相对于电位计设定的操作点的压力变化。 操作能力输入测量电池容量作为Qball-X4的最小10V最大20V的输入电压的百分比（0-1）或作为直流电压。自锂离子电池供电以来Qball-X4被充电10.6V。操作能力应该被监督（注意10.6V对应操作能力0.06或6%）。Figure 20展示了一个操作能力如何被监督的例子，这样的话当操作能力达到8%或更低（对应于10.8V或更少）时低电压警告将会显示在主机上，用Show Message在主机块（在QUARC TargetSinksError Handling下的Simulink图书馆可以发现）。注意HiQ输入电压值可以通过公式V=10x+10计算出来，其中x表示操作能力。二者择一的，电池水平输入可以用来读出当前电池的电压水平。Figure 20：监控HiQ 电池水平 注意HiQ操作能力仅用来测量给HiQ供电的电池。有人推荐Qball-X4一般成对改变。按照供电系统指示，提供供电系统确保合适安全的给电池供电。 标准HiQ子板提供几个通用I/O通道用来面向附加传感器。Figure 21展示了HiQ子板和它的电子插脚布局。Table 7列出了HiQ子板上不同的I/O插脚。Figure 21：HiQ子板和插脚布局J31模拟GNDJ32+5VJ33模拟GNDJ34+3.3VJ35AI4J36AI5J37AI2J38AI3J39AI0J310AI1J201GNDJ202+3.3VJ203GUM FF RXDJ204GUM IR TXDJ205GUM IR RXDJ206GUM FF CTSJ207GUM FF RTSJ208GUM BT RTSJ209GUM FF TXDJ2010GUM BT CTSSonar1GNDSonar2ICSonar3TRIGSonar4+3.3VJ141GNDJ142+3.3VJ143GNDJ144PIC GPIO 0J145GUM I2C SDAJ146GUM I2C SCLJ147GUM GPIO 63J148GUM GPIO 65J149GUM GPIO 62J1410GUM GPIO 59J1411PIC GPIO 1J1412GUM GPIO 64J291GNDJ292+3.3VJ293GNDJ294+4VJ295GUM GPIO 58J296+5.5VJ297GUM GPIO 60J298GUM GPIO 61J299GUM GPIO 66J2910GUM GPIO 77GPS1GNDGPS2GUM BT TXDGPS3GUM BT RXDGPS4+4VTable 7：HiQ子板插脚列表AIx模拟输入通道xPIC GPIO x:微处理器通用I/O通道xGUM GPIO x：Gumstix通用I/O通道x（可重构数字I/O）GUM I2C SDA:Gumstix I2C数据线GUM I2C SCL:Gumstix I2C时钟线GUM xx RXD:Gumstix(FF/IR/BT)UART 接收数据GUM xx TXD:Gumstix(FF/IR/BT)UART传输数据GUM xx CTS:Gumstix(FF/IR/BT)UART清除发送GUM xx RTS:Gumstix(FF/IR/BT)UART请求发送IC:输入比较TRIG:触发声纳为声纳和GPS标题配置连接器：Hirose DF13-4S-1.25C声纳和GPS连接器插脚：DF13-2630SCFGumstix串行端口FF,BT和IR可分别通过串行接口0,1,2访问。更多访问串行数据的信息请看QUARC Targets/Userss Guide/Communacations下的帮助。 6.3.建立无线连接 Qball-X4用专门的对等无线TCP/IP连接与主机和（或）其他的Quanser无人机交流。Qball-X4包装与一个USB无线适配器一起用无线连接（用于Qball-X4和其他Quanser无人机）安装主机。主机和每个无人机必须有独一无二的IP地址，这些地址的范围定义如下：主机（s）0到9Quanser机(Gumstix)0到54安装主机无线连接这些步骤如下且只需执行一遍。 1.安装完提供的USB无线适配器之后，Windows必须探测到一个叫GSAH的网络，一个”不固定的电脑对电脑网络”。这是一个无人机使用的对等网络。 2.打开无线网络的状态，点击属性。 3.在“此连接使用下面的项目”下，滚动至网络协议（TCP/IP）,双击。 4.不是自动获得一个IP地址，而是进入以下：IP地址：0（主机无线IP地址应该设为0到9之间一个不用的值。对于多个不同的主机，使用有效范围内的不同IP地址。）子网掩码：Figure 22：无线USB适配器设置 5.通过Windows网络连接列表连接到GSAH网络 6.如果QbaLL-X4通上电，可以在Windows的运行框（在开始菜单单击Run）里按类型“pingQball-X4的IPpinged。如果连接成功将会在命令窗口看到ping回复。注意：你可能需要屏蔽Windows防火墙来建立连接。Figure 23：pinging Qball-X46.4.配置Qball目标模型 注意：这部分只应用在运行在Gumstix目标（也就是，在Qball上）的文件，例如qball_control_v2.mal（见6.5.Simulink文件的Table 8）。一旦QUARC被安装Simulink应该有一个新的菜单项叫QUARC。Qball-X4安装一个新的QUARC模型要求有下面的步骤： 1.创建一个新的Simulink模型，或者打开一个Gumstix存在的模型运行。 2.单击QUARC菜单，选择选项。 3.实时工作间下的系统目标应该是quarc_linux_arm.tlc.如果需要浏览系统目标列表定位合适的文件。（Figure 24）。Figure 24：QUARC选择菜单 4.为了在目标机上运行QUARC模型，目标机的IP地址必须是指定的。为所有的linux_ARM设置默认的目标地址，在QUARC菜单选择参数选择。目标形式的参数应设为linux_arm。用要求的目标机的IP地址代替默认模型URI，例如“tcpip:/00:17001”没有引用。 作为选择，打开QUARC/Options菜单下的模型选项选择左边窗口的界面仅为当前模型设置目标地址。在MEX_file下，类型-w -d/tmp -uri %u,tcpip:/Gumstix的IP:17001,包括单引号（Figure 25）。用你的Gumstix的IP代替Gumstix的IP，例如tcpip:/00:17001.Figure 25:配置MEX-file参数 5.为仿真模型选择“Extenal”，而不是“Normal”，表明模型是在目标机（Gumstix）上运行的而不是在主机上模拟。 6.模型已经准备好在目标机上编译。如果与vehicel间的无线连接已建立，一个QUARC控制台可以被打开显示附加信息并在模型编译时通过菜单选项QUARC/Console 进步（progress）。建立模型（QUARC/Build）将开始编码生成和编译步骤。编译输出将显示在QUARC控制台。完成这步将花费几分钟时间。 6.5.仿真文件 操作Qball需要几个文件。Table8列出了不同的文件和它们的用途。注意Windows 7主机有一些不同的主文件（WIN7附带）。如果你用的是Windows 7主机，使用WIN7主文件作为joystick/Optitrack，如果你用的是Windows XP主机，则使用标准主机文件。操纵杆是一个不可或缺的部分，每次测试飞行都会用到。即使在闭环控制模型中，操纵杆仍被用做确保安全的启用/停止开关。操纵杆有两个控制杆。左边的控制杆开始控制节流阀之后不会因为垂直方向（上/下）被激活。其他所有的控制都会被激活。控制杆的绘图显示在下面的Figure 26.左边的控制杆控制节流阀和偏航（下上是0-100%节流阀，左右是关于垂直轴的逆时针旋转和顺时针旋转），右控制杆控制旋转翻滚（下上是向后向前旋转，左右是向左向右翻滚）。标准的观察点通常是Qball远离操作者，所以通常观察到的是Qball尾部。Figure 26：操纵杆控制图 运行任何Qball控制器之前，使用Windows游戏控制校准操纵杆。为你的配置建立运行适当的Host_Joystick_xxx模型，然后建立运行Host_Joystick_Test控制器。这个模型连接到你的操纵杆，连接的方式与Qball连接wifi相同，并显示一个操纵杆的3D仿真（见Figure 27）。核实用这个仿真操纵杆能回应，并且覆盖了每个控制杆正确的范围。Qball_X4_Joystick_Simulation_3D模型可以被用来测试使用Qball仿真的操纵杆的操作（见Table 8拥有Qball的文件一览表）。Figure 27：Host_Joystick_Test形象化 Qball的操作使用一个host_target结构。主机（在地状态）运行一个主机模型对目标Qball的流操纵杆（stream joystick）（可能定位）数据。目标机是Qball，执行Qball的控制器（qball_x4_control_v2.mdl）.各种各样的脚本运行在打开Qball控制器模型初始化控制器参数时。如果MATLAB工作空间被清空，这些参数不再保存，只要运行set_qball_x4.m脚本就可以恢复配置参数。文件名称描述setup_qball_x4.m当Qball控制模型打开时运行此MATLAB脚本。此脚本运行其他几个脚本以初始化模型并控制参数。filter_design.m一个包含估计Qball的翻滚，旋转的补充滤波器特性的脚本。此文件通过setup_qball_x4.m脚本运行。controller_design.m一个用来计算LQR控制器增益以稳定Qball方位的脚本，此文件通过setup_qball_x4.m脚本运行。Host_Joystick_TYPE_A_B_WIN7.mdl一个仿真模型用在host PC to stream joystick data to the Qball for joystick control.用此模型标示你的操纵杆类型和WIN7，如果你用的是Windows 7.Host_Joystick_TYPE_A_B_Optitrack_WIN7.mdl一个仿真模型用在host PC to stream joystick and OptiTrack data to the Qball for joystick control和自动位置控制，用此模型标示你的操纵杆类型和WIN7，如果你用的是Windows 7.Host_Joystick_Test.mdl连接一个运行的主机操纵杆模型并且以3D视角显示操纵杆控制。用此模型核实操纵杆是否校准和连接。Qball_X4_Joystick_Simulation_3D.mdl模仿Qball动力学，用QUARC 3D视角显示Qball。此模型连接一个运行的主机操纵杆模型，用操纵杆命令使实际的Qball飞行。用此模型核实适当的操纵杆操作，熟悉飞行Qball仿真。Qball_X4_Simulation_3D.mdl此模型也是仿真Qball动力学但不是用操纵杆控制。位置控制器被用来飞行Qball和追踪轨迹。Qball_x4_control_v2.mdl这个文件包含Qball主要的飞行控制器。此模型在Qball UAV下载，编译，执行，并且控制Qball方位的稳定。如果定位信息有效，Qball则定位。自动打开此文件执行上面的setup脚本。Table 8：操作Qball-X4的仿真文件注意文件在Table 8中用灰色强调表明必须把模型作为目标，在quarc_linux_arm(Gumstix)target运行，其他所有文件在Windows target运行。 6.6.Qball-X4控制器 主要的Qball控制器文件包括几个操作模式和负责vehicle稳定的不同子系统。Figure 28说明了Qball控制器的最高水平和模型中包含的不同子系统。Figure 28：主要的Qball-X4控制器子系统 接下来的table描述了更多子系统的细节，这些子系统用来命令Qball并改变其操作模式。模式控制 这个子系统用来控制操作模式由开环操纵控制到闭环自动控制。有3个开关用来改变高度，位置和heading控制模式。只能在试验中当模型不运行或系统不稳定的改变操作模式。闭环高度模式允许系统使用on-board声纳传感器控制高度。闭环位置模式需要一个定位系统例如OptiTrack来控制Qball的水平位置。闭环heading模式尝试追踪Position Commands子系统给出的heading参考。操纵杆模式允许来自4通道操纵杆的节流阀（高度），翻滚和旋转（位置），偏航（heading）的控制。位置命令 此子系统包含Qball heading，高度和水平位置的参考命令（set points）。这些命令是用在闭环操作模式中的参考点。如果Qball运行在操纵杆模式，这些命令则无效。保存数据（黑匣子） 这个子系统收藏来自Qball模式的数据保存在使用QUARC到主机文件模块的主机的一个MAT文件。见QUARC中的帮助中To Host File block得到更多信息。 注意来自Qball模式的附加数据可以被加入到信号以便按照要求保存附加信息。HiQ HiQ子系统包含了硬件-HIL模块用来配置HiQ和读/写值。增益模块通过用1或0增加发动机信号来使能或停止Qball发动机。当测试Qball声纳或处理Qball时，用增益模块通过0增加发动机信号来停止发动机以确保安全。旋转/翻滚控制器 这些子系统包含参考命令（不是来自操纵杆输入就是来自位置命令子系统，取决于操作模式）和用来稳定Qball翻滚旋转的控制器。来自主机的操纵杆 这个子系统接收来自主机模式的流数据。确保Stream Client URI的IP地址与主机IP地址匹配，这样Qball控制器便能与主机模型连接。数据包包括操纵杆数据和Optitrack定位数据（如果有效）。如果操作模式设置为闭环位置模式，在延长期内追踪无效子系统将监视定位追踪的状态和发出一个着陆。另外，以任何理由在连续的1秒内主机没有交流也会发出着陆。 注意即使是闭环操作模式，主机模型必须处于连接状态，而且发送操纵杆数据到Qball因为操纵杆相当于一个安全开关。闭环模式操纵杆节流阀在10%以下将停止Qb