小型四旋翼无人直升机控制系统设计_硕士学位论文(编辑修改稿)

小型四旋翼无人直升机控制系统设计_硕士学位论文(编辑修改稿)内容摘要：

......................54 无线通讯模块 ................................................................................................55 A/D 的软件校正 ....................................................................................................55 数字滤波算法 ..........................................................................................................56 捷联惯导算法 ..........................................................................................................57 小结 ..........................................................................................................................57 7 系统调试 .....................................................................................................58 引言 ..........................................................................................................................58 电源调试 ..................................................................................................................58 DSP 最小系统调试 ...............................................................................................58 数字罗盘和无线通信调试 ......................................................................................59 声纳调试 ..................................................................................................................60 加速度计和陀螺仪调试 ..........................................................................................61 系统调试 ..................................................................................................................61 系统正向标定 ................................................................................................61 姿态控制参数调试 ........................................................................................62 小 结 ..........................................................................................................................64 8 总结与展望 ..................................................................................................65 致 谢 .............................................................................................................67 参考文献 .........................................................................................................68 硕士论文 小型四旋翼无人直升机控制系统设计 1 1 绪论 引言 与固定翼飞机相比，旋翼机具有垂直起降的能力。 四旋翼直升机是一种外形独特的旋翼机，国外对四旋翼飞机有多种叫法，如 fourrotor、 Quardrotor、 X4Flyer、 4 rotors helicopter 等等 [1]。 由于结构的对称性， 四旋翼直升机在操纵性和机械机构方面具有很多潜在的优势。 如图 所示，旋翼 3 顺时针旋转，旋翼 4 逆时针旋转，旋翼的扭矩会自动平衡。 而 传统直升机必 须加一个尾翼用来平衡旋翼扭矩，这个尾翼对向上的推力无帮助作用， 浪费了能量。 另外，由 于四旋翼机的旋 翼更小， 转速更高，因而 其效率更高 [2]；小旋翼 也 可以 减少旋翼碰撞周围建筑物的概率，飞行更加安全。 图 四旋翼 直升机 飞行原理 示意图 四旋翼直升机 工作原理 四旋翼直升机 有 4 个控制输入量 ，分别为四个 旋翼的 转速； 6 个输出量 ， 分别为飞机位置量（ x、 y、 z）和姿态角 (俯仰角  、横滚角  、航向角  )。 四旋翼直升 机通过 调节对角线上旋翼的转速来改变姿态： 图 中， 3 旋翼的 推力不同 会 改变四旋翼直升机的 俯仰角，同时在机体 X 方向产生一个 加速度。 由于对称性，在机体 Y 方向也会产生相似的作用。 四旋翼直升机改变对角旋翼的转速大小 ， 同时往相反方向改变另外一对旋翼的转速的大小，两对旋翼间扭矩 便不再平衡 ，从而航向角改变。 四旋翼直升机 发展历史 过去的一百多年里，人类投入了大量的资金和努力来研究和设计旋翼机。 二十世纪早期，旋翼机的设计目标就是制造出一个可以垂直起降和悬停的机器。 1 绪论 硕士论文 2 四旋翼直升机有一段漫长而又断断续续的历史 [3][4]。 最早的四旋翼飞机可以追溯到 1907 年，由 Louis 和 Jacques Breguet 等人研制出的 “ Gyroplane” 便已经成功携带飞行员飞了 的高度。 1922 年美国军方资助 Gee de Bothezat 研制了一个大型的四旋翼机（图 ），但是飞行表现不能令人满意，另外费用高昂和当时固定翼飞机的流行使得该项目最终搁浅。 最成功的四旋翼飞机是 1956 年由 covertawing 公司资助 研制出的‘ H’型的四旋翼机（图 ）， 但是由于工程人员缺乏足够的兴趣，该项目也最终停止。 20 世 纪 80 年代 随着微小型飞机新型材料、微机电（ MEMS）、微惯导（ MIMU）的产生和飞行控制理论的 发展 ，微小型飞机得到迅速发展。 由于其广泛的应用前景和使用价值，四旋翼无人直升机吸引了大批研究人员和学者的关注。 目前商业化最成功的四旋翼无人直升机是加拿大 RC Toys 公司的遥控航模玩具Draganflyer，有很多研究 单位 的四旋翼机都是在它或者它的改进系统上进行开发的。 图 Gee de Bothezat制作的四旋翼机 图 国内外 研究现状 和 研究热点 国外研究现状 国外 对 四旋翼无人直升机研究非常活跃。 加拿大雷克海德大学（ Lakehead University）的 Tayebi 和 McGilvray 证明了使用四旋翼设计可以实现稳定 飞行 [18]。 澳大利亚卧龙岗大学的 McKerrow 对 Draganflyer 进行了精确建模 [19]。 目前 国外 四旋翼无人直升机的研究 工作 主要集中在以下三个方面：基于惯导的自主飞行、基于视觉系统的自主飞行和自主飞行器系统。 典型代表有瑞士洛桑联邦科技硕士论文 小型四旋翼无人直升机控制系统设计 3 学院的 OS4（图 ） [4] [5]、澳大利亚国立大学的 X4(图 )[6] [7]、宾夕法尼亚大学的HMX4[3]、佐治亚理工大学的 GTMARS[3]、斯坦福的‘ Mesicopter’ [3] [8]等等。 （ a） OS4I （ b） OS4II 图 OS4I和 OS4II 图 澳大利亚国立大学的 X4 国内研究现状 国内对于四旋翼机的研究主要集中在几所高校之中。 例如 国防科技大学 [3][9]、 南京航空航天大学 [1][4][10][11]、西北工业大学 [12]、 中国空空导弹研究院 [12]、电子科技集 团第二十七研究所 [13]、吉林大学 [14]、 北京科技大学 [15]和哈尔滨工业大学 [16]等 等。 大多数的研究方式是理论分析和计算机仿真，提出了很多控制算法。 例如 ， 针对无人机模型的不确定性和非线性设计的 DI/QFT（动态逆 /定量反馈理论）控制器 [1][11]，国防科技大学提出的自抗扰控制器（ ADRC）可以对小型四旋翼直升机实现姿态增稳控制 [9]，还有一些经典的方法比如 PID[17][11]控制、 H [16]控制等。 四旋翼直升机研究热点 四旋翼直升机目 前的研究热点可以分为以下几点：系统的分析与建模、系统姿态控制和编队飞行等等。 （ 1）四旋翼无人 直升 机 的 建模 1 绪论 硕士论文 4 澳大利亚卧龙岗大学的 McKerrow 对 Draganflyer 进行了精确建模 [19]。 澳大利亚、法国和美国的学者共同对 X4flyer 进行了动态建模和镇定配置的研究 [6]。 斯坦福的研究小组也对自己的试验平台（ STARMAC）进行了建模和参数辨识工作 [21]。 法国和阿尔及利亚的学者在文 献 [22]给出了四旋翼直升机动态建模和用实验确定参数的方法。 （ 2）四旋翼 无人直升 机的姿态控制 姿态控制是 四旋翼飞行 控制系 统的核心。 空间飞行器、卫星、直升机、战术导弹、协同机器手、水下机器人等刚体均需要姿态控制 [23]。 对于四旋翼无人直升机 的姿态控制， 很多文献给出的都是传统的 PID 和状态空间控制 方法 ，还有一部分是滑模和 H 控制。 例如瑞士联邦理工学院的 OS4 已经分别用 PID[23] 、 LQ[23] 、 backstepping[5][24] 、Sliding – mode[5]实现了 四旋翼 飞行器 的 姿态控制。 另 外 还有文献给出了 全状态反推法 (full state backstepping)[25]、 基于不变流型(Kinematicsbased)的控制法 [26]、 切换控制 [27]、基于视觉的 控制 [7][28][29]、神经网络控制和 改进鲁棒自适应模糊控制等等。 （ 3）四旋翼无人直升机 飞行 编队 飞行编队（ flight formation）有很多好处， 例如 飞机个体之间靠的足够近 ，可以减少诱导阻力从而减少燃料消耗。 MIT 的研究人员对四旋翼无人机的研究工作处于世界领先地位，他们开发了室内多任务、多场景、长时间 UAV 任务测试平台（图 ） [30]。 MIT 的 G. Gowtham 在对编队建模时考虑了 生物群组如鸟群、鱼群、昆虫和动物群在改变方向、避免碰撞和环境阻碍时的合作行为。 给出 了一组高效指引编队飞行的命令。 （ a） 十机编队飞行 图 （ b）三机编队飞行 图 图 MIT多机编队飞行 论文内容安排 本文针对 实际 四旋翼无人机系统，研究并开发了控制器的软硬件系统，主要内容如下： 第一章为绪论， 首先简要 介绍四旋翼直升机的历史概况 ；接着 介绍四旋翼无人机硕士论文 小型四旋翼无人直升机控制系统设计 5 的 飞行 原理和研究现状； 最后是四旋翼无人直升机的研究热点和主要技。