【正文】 遼寧工程技術大學畢業(yè)設計（論文） 1 0 前言 無人飛行器（ UAV）自主飛行技術多年來一直是航空領域研究的熱點 ， 并且在實際應用中存在大量的需求 ， 例如：偵察與營救任務 ， 科學數(shù)據(jù)收集 ， 地質、林業(yè)勘探 ， 農(nóng)業(yè)病蟲害防治 ， 以及視頻監(jiān)控 ， 影視制作等。通過無人飛行器來完成上述任務可以大大降低成本和提高人員安全保障 。 無人飛行器的主要優(yōu)點包括：系統(tǒng)制造成本低 ， 在執(zhí)行任務時人員傷害小 ， 具有優(yōu)良的操控性和靈活性等。而旋翼式飛行器與固定翼飛行器相比 ， 其優(yōu)勢還包括：飛行器起飛和降落所需空間少 ， 在障礙物密集環(huán)境下的可控性強 ， 以及飛行器姿態(tài)保持能力高。由國際無人運輸系統(tǒng)協(xié) 會 (International Association for Unmanned Vehicle Systems）組織的一年一度的國際空中機器人競賽 (International Aerial Robotics Competition),為自主旋翼式飛行器的應用潛力研究提供了一個很好的展示平臺。該競賽吸引了來自全世界不同國家研究團隊的參與 ， 來完成預先設定的自主飛行任務。 在無人飛行器自主飛行的眾多技術當中 ， 飛行器自主飛行控制算法的設計一直是控制領域眾多研究者最關心的問題之一。經(jīng)典的控制策略在飛行器系統(tǒng)的某個特 定作用點上往往首先將系統(tǒng)模型線性化 ， 然后在此基礎上運用經(jīng)典控制理論對系統(tǒng)進行分析和控制 ， 控制精度和控制能力偏弱。相比之下 ， 運用現(xiàn)代非線性控制理論設計的控制算法 ， 其性能明顯優(yōu)于經(jīng)典控制算法。 小型四旋翼飛行器與其它飛行器相比 ， 其優(yōu)勢在于其機械結構較為簡單 ， 并且只需通過改變四個馬達的轉速即可實現(xiàn)控制 ， 且飛行機動能力更加靈活。 另一方面 ， 小型四旋翼飛行器具有較高的操控性能 ， 并具有在小區(qū)域范圍內(nèi)起飛 ， 盤旋 ， 飛行 ， 著陸的能力。飛行器可以飛至離目標更近的區(qū)域 ， 而不像傳統(tǒng)直升機由于其巨大的單旋翼而不能近距離靠近目標。 同 時 ， 小型四旋翼飛行器研究也為自動控制 ， 先進傳感技術以及計算機科學等諸多領域的融合研究提供了一個平臺。在機器人的智能控制 ， 三維路徑規(guī)劃 ， 多飛行器的空中交通管理和碰撞規(guī)避等方面 ， 小型四旋翼飛行器自主飛行技術都具有極高的研究價值 。 王賓： 微型四旋翼控制系統(tǒng) 2 1 四旋翼 飛行器 早期四旋翼飛行器設計 早在 20 世紀初期 ， 就有人開始研制載人四旋翼飛行器。 BreguetRichet 四旋翼飛行器建造于 1907 年 ， 在其十字支架的四端固定了四個長為 米的旋翼。其中兩個旋翼順時針方向旋轉 ， 另外兩個旋翼逆時針方向旋轉。駕駛員坐在十字支 架得中心位置 ， 油門為唯一的控制設備 ， 而導致對飛行器的穩(wěn)定性控制并不理想。飛行器起飛時 ， 在其四端需要有工作人員幫助來實現(xiàn)穩(wěn)定起飛。雖然自主飛行并未實現(xiàn) ， 但同時使用順時針旋轉旋翼和逆時針旋轉旋翼的思想是 BreguetRichet 四旋翼飛行器的顯著特點。 1921 年 1 月 ， 美國空軍軍團（ US Army Air Corps）與 Gee de Bothezat 和 Ivan Jerome 簽訂合約共同建造垂直飛行器。 1678kg 的“ X”形結構支架用來支撐位移支架四端的直徑為 米的六翼片旋翼。一 個小型的提升旋翼被置于支架交點的 180hp 的 Le Rhone 放射裝引擎上方 ， 但隨后不久就被認為多余而被拆卸。每個旋翼可單獨控制其轉速以產(chǎn)生不同的升力 ， 使飛行器傾斜而產(chǎn)生前后移動 。 該飛行器重 1700kg， 于 1922 年十月進行其第一次試飛。飛行器的引擎很快被換為 220hp 旋轉式 Bentley BR2。 1922 年 12 月 18 日于 Wright Field 進行的一次試飛中 ，該飛行器飛行高度達 米 ， 空中飛行達 1 分 42 秒。 1923 年 1 月 19 日的另一次試飛 ， 飛行器將兩人抬至 米的高度。截止 1923 年底 ， 該飛行器于俄亥俄州代頓市共試飛約 100 次。盡管合約中要求 ， 飛行高度達到 100 米 ， 該飛行器實際飛行高度只有 5 米。在該研究花費了約 20 萬美元后 ， Bothezat 展示了他設計的飛行器可以實現(xiàn)穩(wěn)定飛行 ，實際應用的直升機理論上是可以制造出來的。然而 ， 該飛行器動力不足 ， 響應性能不高 ，機械結構過于復雜 ， 并存在潛在的穩(wěn)定性隱患。在嘗試橫向飛行時 ， 需要大量的人力和物力的支持。因此 ， 美國軍方最終對其失去了興趣 。 Convertawings 于 1950 年在紐約的 Amityville 建造了一架四旋翼飛行器。此飛行器的每個旋翼直徑達 19 英尺 ， 并通過用兩個引擎來改變每個旋翼的升力來控制飛行器。經(jīng)試飛驗證 ， Convertawings 飛行器在空中飛行性能良好 ， 但由于 當時人們對此種飛行器缺乏興趣而停止生產(chǎn)。 四旋翼飛行器研究現(xiàn)狀 近年來 ， 關于如何建造和控制四旋翼飛行器的文章層出不窮。其中一些項目主要關注飛行器的建模以及通過仿真來驗證對其控制的策略是否有效。而另一些項目則著眼于飛行遼寧工程技術大學畢業(yè)設計（論文） 3 器在真實環(huán)境下是否能飛行成功。以下介紹近年來研制成功的一些有代表性的四旋翼飛行器。 Draganflyer 是 RC 玩具公司開發(fā)的商業(yè)產(chǎn)品 ， 它由 R/C 信號發(fā)射設備和板載控制芯片共同實現(xiàn)對其的控制。板載芯片包括一個對領航者輸入的接收裝置 ， 三個傳感器測量飛行器三個方向的角速度 ， 一個微控制器來執(zhí)行控制算法計算。最新出品的 Draganflyer 還包括四個紅外熱傳感裝置來幫助飛行器在室外飛行時的平衡。 EADS Quattrocopter 原本是用來當作研制微型飛行器控制單元的測試平臺 ， 而如今因其良好的性能被工業(yè)界大量生產(chǎn)。飛行器板載芯片由 MEMS 慣性測量單元（ IMU ） ， 氣流變化傳感器以及一個 GPS 接受裝置 ， R/C 信 號接受器 ， 16 位模數(shù)轉換器和驅動馬達的功率發(fā)達器組成。 Quattrocopter 使用的鋰電池在一次性充滿電后可維持其 20 分鐘的飛行。此飛行器長約 65cm,重約 千克 ， 機身可拆卸。電動馬達使飛行器飛行噪音很小。飛行器有 50% 的功率余量來裝載負重。 X4 Flyers 在澳大利亞研制 ， 研制人員對兩個慣性測量單元（ IMU ）進行檢測 ， 一個IMU 為 Crossbow 公司生產(chǎn)的商用 IMU ， 重約 475 克 , 另一個名為 EiMU 的 IMU 有澳大利亞的一個機器人小組研制而成 ， 重約 100 克。 X4 Flyers 研制人員稱商用 IMU 較大的重量會影響飛行器的性能 ， 因此最終采用 EiMU。一個雙核的板載計算機用來紀錄來自 R/C 接收器的輸入命令 ， IMU 上的串行接口是數(shù)據(jù)以 120Hz 的頻率被紀錄下來 ， 而另一個串行接口用來實現(xiàn) IMU 和地面計 算系統(tǒng)之間的通信。 X4 Flyers 的研制提出了該飛行器的非線性模型。此模型在飛行器處于盤旋狀態(tài)時被線性化 ， 并在此線性模型的基礎上得出領航員控制輸入指令到歐拉角輸出的傳遞函數(shù)（ transfer functions）。來 自 IMU 的傳感信號被高通濾波后用來測量內(nèi)環(huán)控制所需 的角速度。而外環(huán)控制最終被放棄 ， 因為從 IMIU 獲得飛行器高度值存在一定難度。 賓夕法尼亞 大學的一個研究小組使用一個商業(yè)模型 HMX4 來研制自己的四旋翼飛行器。 此 四旋翼飛行器的控制由板載計算機和地面計算系統(tǒng)處理傳感器和攝像機傳送的數(shù)據(jù)來實現(xiàn)。三個板載傳感器用來提供飛行器內(nèi)環(huán)穩(wěn)定控制的數(shù)據(jù)。置于地面的攝像機作為主傳感器來使用。置于飛行器底座的五個 的彩色標記用為攝像機提供位置信息 ， 從而用標記定位算法便可計算出飛行器上標記的相對位置變化 ， 進而計算出四旋翼的俯仰角 ，橫滾角 ， 橫擺角和平動位置坐標。由于 HMX4模型的重量限制 ， 飛行器不能另外裝配 GPS 系統(tǒng)合加速度測量儀。地面計算系統(tǒng)用于接受和處理由地面攝像機傳送的圖像信息 ， 為四旋翼飛行器設定目標指令值 ， 以及用 串 口傳送計算出的 馬達 驅動輸入。板載計算機通過傳王賓： 微型四旋翼控制系統(tǒng) 4 感器信號來穩(wěn)定飛行器 ， 并通過板上 R/C 接收設備來獲取地面計算系統(tǒng)發(fā)送的控制信號。 該研究小組提出了一個四旋翼飛行器的動力學模型以及兩種控制策略 ， 分別為反饋線性化方法（ feedback linearization ）和后推法（ backstepping）。仿真結果顯示后推控制器的性能較優(yōu) ， 并隨后設計了此 種控制器進行實驗。最近 ， 四旋翼飛行器新添加了一個板載攝像機 ， 聯(lián)合地面的攝像機來估計飛行器的位置。在原先有地面攝像機觀測的五個標記的基礎上 ， 另一個標記被至于地面攝像機上 ， 供板載攝像機觀測。這種雙攝像機的方法使計算出的角位移誤差和線位移誤差更小。 康奈爾大學啟動了兩個四旋翼飛行器的項目。第一個項目的目標是用三個板載傳感器和地面視頻系統(tǒng)來計算飛行器的飛行高度。四個 LED 被置于飛行器十字支架的四端 ， 用于給地面三個攝像機組成的視頻系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)。板載計算機將傳感數(shù)據(jù)傳送給地面計算系統(tǒng) ， 并根據(jù)地面計算系統(tǒng)傳來的指令數(shù) 據(jù)調整馬達轉速。地面計算系統(tǒng)根據(jù)傳感數(shù)據(jù)和視頻信號計算出馬達輸入 ， 并將其發(fā)送至板載計算機。該項目對四旋翼飛行器高度進行實時估測時 ， 使用一個卡爾曼 濾波器。此濾波器主要用于保留高頻的傳感器數(shù)據(jù)（ 300Hz ）和低頻的視頻信號（ 10Hz） ， 并過濾掉其他頻率成分的干擾信號。實驗結果顯示 ， 該濾波器成功的消除了傳感器偏移的不利影響。第二個 項目 主要關注飛行器的四個升力產(chǎn)生裝置以及飛行器的整體結構。研制小組使用 MATLAB 和ＡＮＳＹＳ有限元軟件來設計四旋翼飛行器的支架 ， 以確定其結構單元的大小和受力強度。盡管無刷電動機的驅動 電路很復雜 ， 但還是得以采用 ， 以實現(xiàn)較高的功率質量比（ Power to weight ratios）。使用大直徑的旋翼以保證盤旋狀態(tài)的穩(wěn)定系能。此四旋翼飛行器使用板載電源和傳感器 ， 這兩部分占據(jù)飛行器一半的質量 ,慣性測量單元由 SystronDonner 生產(chǎn)。此 IMU 存在一定程度的漂移 ，但足以保證飛行器盤旋狀態(tài)下的穩(wěn)定。 遼寧工程技術大學畢業(yè)設計（論文） 5 2 微型四旋翼飛行器結構和控制原理簡介 目前飛行 器 控制方式 主要有：遙控飛行、自主飛行以及半自主飛行三種方式。遙控飛行是指沒有安裝飛行控制系統(tǒng)，可看成是航模，只能在視距內(nèi)飛行 ， 應用價值不大；自主飛行是指在飛行過程中完全脫離人的干預實現(xiàn)飛行，通常采用磁羅盤測量姿態(tài)，與角速率陀螺組成穩(wěn)定內(nèi)回路，并采用導航系統(tǒng)進行導航 [1]， 而半自主飛行是介于這兩者之間的飛行方式，飛行任務主要由人干預完成，飛行器裝有由角度傳感器和角速率陀螺組成的姿態(tài)角穩(wěn)定內(nèi)回路，飛行穩(wěn)定性和可操作性大大提高。由于任務量和技術方面的原因，暫時實現(xiàn)半自主飛行。 傳統(tǒng)直升機的旋翼系統(tǒng)由一個主旋翼和一個尾旋翼構成 ， 通過變化旋翼翼片旋轉時的切角來改變飛行器的升力大小。與此不同的是 ， 小型四旋翼飛行器旋翼翼片的旋轉切角是固定的 ， 它是通過改變每個旋翼旋轉的角速度來控制整個飛行器的飛行。 螺旋槳旋轉時，把空氣對螺旋槳的壓力在軸向和側向兩個方向分解，得到兩種力學效應：推力和轉矩。當四軸飛行器懸停時，合外力為 0，螺旋槳的推力用于抵消重力，轉矩則由成對的正槳反槳抵消。當飛行器運動時，因為推力只能沿軸向，所以只能通過傾斜姿態(tài)來提供水平的動力，控制運動由控制姿態(tài)來間接實現(xiàn)。 0號3號1號2號 圖 21 四旋翼飛行器旋翼旋轉方向示意圖 Four rotor aircraft rotor rotation direction 王賓： 微型四旋翼控制系統(tǒng) 6 假設四軸為剛體，根據(jù)質點系動量矩定理，角速度和角加速度由外力矩決定 [2]，通過控制四個螺旋槳，可以產(chǎn)生需要的力矩。首先對螺旋槳編號：第一象限的為 0 號，然后逆時針依次遞增，如圖 (21) 。同步增加 0 號和 1 號、減小 2 號和 3 號槳的功率，可以在不改變推力的情況下，提供 x 軸的力矩；同步增加 1 號和 2 號、減小 0 號和 3 號槳的功率，可以在不改變推力的情況下，提供 y 軸的力矩；同步增加 1 號和 3 號、減小 0 號和 2 號槳的功率，可以在不改變推力的情況下，提供 z 軸的力矩。以上“增 加”和“減小”只是表明變化的方向，可以增加負數(shù)和減小負數(shù)，提供的力矩就沿對應軸的負方向了。把三個軸的力矩疊加起來，就得到各螺旋槳功率變化與提供的力矩的對應關系，可以用一個矩陣等式表示，見 (21)式。 ΔT 是螺旋槳的功率變化量，為 41 矩陣，每行分別對應 0 到 3 號螺旋槳； m 是力矩，為 31 矩陣。 mx、 my 和 mz是各軸的力矩系數(shù)，用于把力矩轉換成功率變化量，具體數(shù)值與電機力矩特性、電機安裝位置等有關。 1 1 1111 d ia g ( , , )1 1 11 1 1x y zT m m m?????? ? ? ?????????m （ 21） 各個電機實際輸出的功率