1、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 DAQ5.3.3.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
2、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.
3、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-X
4、4 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
5、 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（Gumst
6、ix【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
7、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-X4Figure 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。
8、4.参考【1】Gumstix：http:/ User Manual(type doc quarc in Matlabto access)【3】Park 400 Brushless motor-740Kv:http:/ description and technical information:http:/ electronic speed controller manual:http:/ Qball-X4： Qball-X4 在上面 figure 1 中显示 HiQ： QUARC 飞行器数据获得卡（DAQ） Gumstix： QUARC 目标机，一个嵌入式的，装有 QUARC 运行时间软件的
9、linux 操作系统。 【1】 Batteries: 两个三电池室,2500mAh 锂离子电池 Real -Time Control Software:QUARC-Simulink 配置，细节见参考25.2.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-X
10、4 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 daughterboardFigure 8:Battery switch and connector figure 9:ESCs and batteryfigure 10:Sonar sensor figure 11:Motor and propellerfigure 12:Qball joystick,type AID# Description ID# Descript
11、ion1 Qball-X4 保护笼子 10 GPS 串行输入2 Qball-X4 框架 11 电池开关3 HiQ DAQ with Gumstix 12 电池连接器4 HiQ 惯性测量单元 13 速度控制器(ESCs)5 HiQ 带宽伺服输出 14 LiPo 电池6 HiQ 盖子 15 声纳传感器7 HiQ 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 components5.3.1.Qball-X4 框架Qball-X4 框架（#2 in figure 4）是横梁结
12、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-X45.3.2.HiQ DAQHiQ DA
13、Q 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
14、的发动机 伺服输出通道Back 0Front 1Left 2Right 3Table 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
15、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】 （#1
16、7 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
17、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 T
18、YPE 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UWSKF
19、(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：uwsv （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）FLJ其中 （4）pitchrol是设备的滚动/倾斜轴的转动惯量，在 Tabl
20、e 3 中给出。L 是推进器与重心之间的距离，并且：（5）21F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）21ufigure 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：uwJKLvv 001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：s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-
21、X4 高度的动力学模型可以写为MgprFMZ)cos(4F 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 )sin(4pFMXr假设滚动角和倾斜角接近于零，X 与 Y 方向的线性
22、 state space 等式可以导出= + u= + u5.4.5.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：uKy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y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 yJ等式中 是偏航角， 是关于 z 轴的转动惯量，在 Table 3 中给出。yyJ发动机的合成转矩 可以从下式计算出来：4321偏航轴动力学可以用 state-space 形式写为：= +figure 15：偏航轴模型
23、随着旋转的推进器方向参数 值K 120Nw 15rad/secrolJ0.03kg. 2mpitch0.03kg.M 1.4kgyK4N.mawJ0.04kg. 2mL 0.2mTable 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Qbal
24、l 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
25、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）
26、。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.Block Descriptio
27、nHIL 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
28、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
29、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
30、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： 10 PWM 输出（伺服电机输出） 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 / s 使用硬件加速器，3.33 毫克/LSB 的决议 6 模拟输入，12 位，+3.3V 使用硬件磁强计，0.5mGa/LSB 8 通道射频接收机输入（可选） 4Maxbotix 声纳输入 2 压力传感器，绝对和相对压力 输入功率 10-20V除了 HiQ，Gumstix Ver
31、dex 提供 I/O 如下： 11 可配置数字 I/O 2 TTL 串口 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
32、_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
