【正文】 遼寧工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 1 0 前言 無(wú)人飛行器（ UAV）自主飛行技術(shù)多年來(lái)一直是航空領(lǐng)域研究的熱點(diǎn) ， 并且在實(shí)際應(yīng)用中存在大量的需求 ， 例如：偵察與營(yíng)救任務(wù) ， 科學(xué)數(shù)據(jù)收集 ， 地質(zhì)、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(guò)無(wú)人飛行器來(lái)完成上述任務(wù)可以大大降低成本和提高人員安全保障 。 無(wú)人飛行器的主要優(yōu)點(diǎn)包括：系統(tǒng)制造成本低 ， 在執(zhí)行任務(wù)時(shí)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(shì)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(qiáng) ， 以及飛行器姿態(tài)保持能力高。由國(guó)際無(wú)人運(yùn)輸系統(tǒng)協(xié) 會(huì) (International Association for Unmanned Vehicle Systems）組織的一年一度的國(guó)際空中機(jī)器人競(jìng)賽 (International Aerial Robotics Competition),為自主旋翼式飛行器的應(yīng)用潛力研究提供了一個(gè)很好的展示平臺(tái)。該競(jìng)賽吸引了來(lái)自全世界不同國(guó)家研究團(tuán)隊(duì)的參與 ， 來(lái)完成預(yù)先設(shè)定的自主飛行任務(wù)。 在無(wú)人飛行器自主飛行的眾多技術(shù)當(dāng)中 ， 飛行器自主飛行控制算法的設(shè)計(jì)一直是控制領(lǐng)域眾多研究者最關(guān)心的問題之一。經(jīng)典的控制策略在飛行器系統(tǒng)的某個(gè)特 定作用點(diǎn)上往往首先將系統(tǒng)模型線性化 ， 然后在此基礎(chǔ)上運(yùn)用經(jīng)典控制理論對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行分析和控制 ， 控制精度和控制能力偏弱。相比之下 ， 運(yùn)用現(xiàn)代非線性控制理論設(shè)計(jì)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(shì)在于其機(jī)械結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單 ， 并且只需通過(guò)改變四個(gè)馬達(dá)的轉(zhuǎn)速即可實(shí)現(xiàn)控制 ， 且飛行機(jī)動(dòng)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(biāo)更近的區(qū)域 ， 而不像傳統(tǒng)直升機(jī)由于其巨大的單旋翼而不能近距離靠近目標(biāo)。 同 時(shí) ， 小型四旋翼飛行器研究也為自動(dòng)控制 ， 先進(jìn)傳感技術(shù)以及計(jì)算機(jī)科學(xué)等諸多領(lǐng)域的融合研究提供了一個(gè)平臺(tái)。在機(jī)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(shù)都具有極高的研究?jī)r(jià)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(shè)計(jì) 早在 20 世紀(jì)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(gè)長(zhǎng)為 米的旋翼。其中兩個(gè)旋翼順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn) ， 另外兩個(gè)旋翼逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)。駕駛員坐在十字支 架得中心位置 ， 油門為唯一的控制設(shè)備 ， 而導(dǎo)致對(duì)飛行器的穩(wěn)定性控制并不理想。飛行器起飛時(shí) ， 在其四端需要有工作人員幫助來(lái)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定起飛。雖然自主飛行并未實(shí)現(xiàn) ， 但同時(shí)使用順時(shí)針旋轉(zhuǎn)旋翼和逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)旋翼的思想是 BreguetRichet 四旋翼飛行器的顯著特點(diǎn)。 1921 年 1 月 ， 美國(guó)空軍軍團(tuán)（ 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(jié)構(gòu)支架用來(lái)支撐位移支架四端的直徑為 米的六翼片旋翼。一 個(gè)小型的提升旋翼被置于支架交點(diǎn)的 180hp 的 Le Rhone 放射裝引擎上方 ， 但隨后不久就被認(rèn)為多余而被拆卸。每個(gè)旋翼可單獨(dú)控制其轉(zhuǎn)速以產(chǎn)生不同的升力 ， 使飛行器傾斜而產(chǎn)生前后移動(dòng) 。 該飛行器重 1700kg， 于 1922 年十月進(jìn)行其第一次試飛。飛行器的引擎很快被換為 220hp 旋轉(zhuǎn)式 Bentley BR2。 1922 年 12 月 18 日于 Wright Field 進(jìn)行的一次試飛中 ，該飛行器飛行高度達(dá) 米 ， 空中飛行達(dá) 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(dá)到 100 米 ， 該飛行器實(shí)際飛行高度只有 5 米。在該研究花費(fèi)了約 20 萬(wàn)美元后 ， Bothezat 展示了他設(shè)計(jì)的飛行器可以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定飛行 ，實(shí)際應(yīng)用的直升機(jī)理論上是可以制造出來(lái)的。然而 ， 該飛行器動(dòng)力不足 ， 響應(yīng)性能不高 ，機(jī)械結(jié)構(gòu)過(guò)于復(fù)雜 ， 并存在潛在的穩(wěn)定性隱患。在嘗試橫向飛行時(shí) ， 需要大量的人力和物力的支持。因此 ， 美國(guó)軍方最終對(duì)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(gè)旋翼直徑達(dá) 19 英尺 ， 并通過(guò)用兩個(gè)引擎來(lái)改變每個(gè)旋翼的升力來(lái)控制飛行器。經(jīng)試飛驗(yàn)證 ， Convertawings 飛行器在空中飛行性能良好 ， 但由于 當(dāng)時(shí)人們對(duì)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(lái) ， 關(guān)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(xiàng)目主要關(guān)注飛行器的建模以及通過(guò)仿真來(lái)驗(yàn)證對(duì)其控制的策略是否有效。而另一些項(xiàng)目則著眼于飛行遼寧工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 3 器在真實(shí)環(huán)境下是否能飛行成功。以下介紹近年來(lái)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(hào)發(fā)射設(shè)備和板載控制芯片共同實(shí)現(xiàn)對(duì)其的控制。板載芯片包括一個(gè)對(duì)領(lǐng)航者輸入的接收裝置 ， 三個(gè)傳感器測(cè)量飛行器三個(gè)方向的角速度 ， 一個(gè)微控制器來(lái)執(zhí)行控制算法計(jì)算。最新出品的 Draganflyer 還包括四個(gè)紅外熱傳感裝置來(lái)幫助飛行器在室外飛行時(shí)的平衡。 EADS Quattrocopter 原本是用來(lái)當(dāng)作研制微型飛行器控制單元的測(cè)試平臺(tái) ， 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(cè)量單元（ IMU ） ， 氣流變化傳感器以及一個(gè) GPS 接受裝置 ， R/C 信 號(hào)接受器 ， 16 位模數(shù)轉(zhuǎn)換器和驅(qū)動(dòng)馬達(dá)的功率發(fā)達(dá)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(zhǎng)約 65cm,重約 千克 ， 機(jī)身可拆卸。電動(dòng)馬達(dá)使飛行器飛行噪音很小。飛行器有 50% 的功率余量來(lái)裝載負(fù)重。 X4 Flyers 在澳大利亞研制 ， 研制人員對(duì)兩個(gè)慣性測(cè)量單元（ IMU ）進(jìn)行檢測(cè) ， 一個(gè)IMU 為 Crossbow 公司生產(chǎn)的商用 IMU ， 重約 475 克 , 另一個(gè)名為 EiMU 的 IMU 有澳大利亞的一個(gè)機(jī)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(huì)影響飛行器的性能 ， 因此最終采用 EiMU。一個(gè)雙核的板載計(jì)算機(jī)用來(lái)紀(jì)錄來(lái)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(jì)錄下來(lái) ， 而另一個(gè)串行接口用來(lái)實(shí)現(xiàn) IMU 和地面計(jì) 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(shí)被線性化 ， 并在此線性模型的基礎(chǔ)上得出領(lǐng)航員控制輸入指令到歐拉角輸出的傳遞函數(shù)（ transfer functions）。來(lái) 自 IMU 的傳感信號(hào)被高通濾波后用來(lái)測(cè)量?jī)?nèi)環(huán)控制所需 的角速度。而外環(huán)控制最終被放棄 ， 因?yàn)閺? IMIU 獲得飛行器高度值存在一定難度。 賓夕法尼亞 大學(xué)的一個(gè)研究小組使用一個(gè)商業(yè)模型 HMX4 來(lái)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(jì)算機(jī)和地面計(jì)算系統(tǒng)處理傳感器和攝像機(jī)傳送的數(shù)據(jù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。三個(gè)板載傳感器用來(lái)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(jī)作為主傳感器來(lái)使用。置于飛行器底座的五個(gè) 的彩色標(biāo)記用為攝像機(jī)提供位置信息 ， 從而用標(biāo)記定位算法便可計(jì)算出飛行器上標(biāo)記的相對(duì)位置變化 ， 進(jìn)而計(jì)算出四旋翼的俯仰角 ，橫滾角 ， 橫擺角和平動(dòng)位置坐標(biāo)。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(cè)量?jī)x。地面計(jì)算系統(tǒng)用于接受和處理由地面攝像機(jī)傳送的圖像信息 ， 為四旋翼飛行器設(shè)定目標(biāo)指令值 ， 以及用 串 口傳送計(jì)算出的 馬達(dá) 驅(qū)動(dòng)輸入。板載計(jì)算機(jī)通過(guò)傳王賓： 微型四旋翼控制系統(tǒng) 4 感器信號(hào)來(lái)穩(wěn)定飛行器 ， 并通過(guò)板上 R/C 接收設(shè)備來(lái)獲取地面計(jì)算系統(tǒng)發(fā)送的控制信號(hào)。 該研究小組提出了一個(gè)四旋翼飛行器的動(dòng)力學(xué)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(jié)果顯示后推控制器的性能較優(yōu) ， 并隨后設(shè)計(jì)了此 種控制器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。最近 ， 四旋翼飛行器新添加了一個(gè)板載攝像機(jī) ， 聯(lián)合地面的攝像機(jī)來(lái)估計(jì)飛行器的位置。在原先有地面攝像機(jī)觀測(cè)的五個(gè)標(biāo)記的基礎(chǔ)上 ， 另一個(gè)標(biāo)記被至于地面攝像機(jī)上 ， 供板載攝像機(jī)觀測(cè)。這種雙攝像機(jī)的方法使計(jì)算出的角位移誤差和線位移誤差更小。 康奈爾大學(xué)啟動(dòng)了兩個(gè)四旋翼飛行器的項(xiàng)目。第一個(gè)項(xiàng)目的目標(biāo)是用三個(gè)板載傳感器和地面視頻系統(tǒng)來(lái)計(jì)算飛行器的飛行高度。四個(gè) LED 被置于飛行器十字支架的四端 ， 用于給地面三個(gè)攝像機(jī)組成的視頻系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)。板載計(jì)算機(jī)將傳感數(shù)據(jù)傳送給地面計(jì)算系統(tǒng) ， 并根據(jù)地面計(jì)算系統(tǒng)傳來(lái)的指令數(shù) 據(jù)調(diào)整馬達(dá)轉(zhuǎn)速。地面計(jì)算系統(tǒng)根據(jù)傳感數(shù)據(jù)和視頻信號(hào)計(jì)算出馬達(dá)輸入 ， 并將其發(fā)送至板載計(jì)算機(jī)。該項(xiàng)目對(duì)四旋翼飛行器高度進(jìn)行實(shí)時(shí)估測(cè)時(shí) ， 使用一個(gè)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(hào)（ 10Hz） ， 并過(guò)濾掉其他頻率成分的干擾信號(hào)。實(shí)驗(yàn)結(jié)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(gè) 項(xiàng)目 主要關(guān)注飛行器的四個(gè)升力產(chǎn)生裝置以及飛行器的整體結(jié)構(gòu)。研制小組使用 MATLAB 和ＡＮＳＹＳ有限元軟件來(lái)設(shè)計(jì)四旋翼飛行器的支架 ， 以確定其結(jié)構(gòu)單元的大小和受力強(qiáng)度。盡管無(wú)刷電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng) 電路很復(fù)雜 ， 但還是得以采用 ， 以實(shí)現(xiàn)較高的功率質(zhì)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(zhì)量 ,慣性測(cè)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(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 5 2 微型四旋翼飛行器結(jié)構(gòu)和控制原理簡(jiǎn)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(yīng)用價(jià)值不大；自主飛行是指在飛行過(guò)程中完全脫離人的干預(yù)實(shí)現(xiàn)飛行，通常采用磁羅盤測(cè)量姿態(tài)，與角速率陀螺組成穩(wěn)定內(nèi)回路，并采用導(dǎo)航系統(tǒng)進(jìn)行導(dǎo)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(wù)主要由人干預(yù)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(wù)量和技術(shù)方面的原因，暫時(shí)實(shí)現(xiàn)半自主飛行。 傳統(tǒng)直升機(jī)的旋翼系統(tǒng)由一個(gè)主旋翼和一個(gè)尾旋翼構(gòu)成 ， 通過(guò)變化旋翼翼片旋轉(zhuǎn)時(shí)的切角來(lái)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(zhuǎn)切角是固定的 ， 它是通過(guò)改變每個(gè)旋翼旋轉(zhuǎn)的角速度來(lái)控制整個(gè)飛行器的飛行。 螺旋槳旋轉(zhuǎn)時(shí)，把空氣對(duì)螺旋槳的壓力在軸向和側(cè)向兩個(gè)方向分解，得到兩種力學(xué)效應(yīng)：推力和轉(zhuǎn)矩。當(dāng)四軸飛行器懸停時(shí)，合外力為 0，螺旋槳的推力用于抵消重力，轉(zhuǎn)矩則由成對(duì)的正槳反槳抵消。當(dāng)飛行器運(yùn)動(dòng)時(shí)，因?yàn)橥屏χ荒苎剌S向，所以只能通過(guò)傾斜姿態(tài)來(lái)提供水平的動(dòng)力，控制運(yùn)動(dòng)由控制姿態(tài)來(lái)間接實(shí)現(xiàn)。 0號(hào)3號(hào)1號(hào)2號(hào) 圖 21 四旋翼飛行器旋翼旋轉(zhuǎn)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(shè)四軸為剛體，根據(jù)質(zhì)點(diǎn)系動(dòng)量矩定理，角速度和角加速度由外力矩決定 [2]，通過(guò)控制四個(gè)螺旋槳，可以產(chǎn)生需要的力矩。首先對(duì)螺旋槳編號(hào)：第一象限的為 0 號(hào)，然后逆時(shí)針依次遞增，如圖 (21) 。同步增加 0 號(hào)和 1 號(hào)、減小 2 號(hào)和 3 號(hào)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(hào)和 2 號(hào)、減小 0 號(hào)和 3 號(hào)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(hào)和 3 號(hào)、減小 0 號(hào)和 2 號(hào)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(fù)數(shù)和減小負(fù)數(shù)，提供的力矩就沿對(duì)應(yīng)軸的負(fù)方向了。把三個(gè)軸的力矩疊加起來(lái)，就得到各螺旋槳功率變化與提供的力矩的對(duì)應(yīng)關(guān)系，可以用一個(gè)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(duì)應(yīng) 0 到 3 號(hào)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(zhuǎn)換成功率變化量，具體數(shù)值與電機(jī)力矩特性、電機(jī)安裝位置等有關(guān)。 1 1 1111 d ia g ( , , )1 1 11 1 1x y zT m m m?????? ? ? ?????????m （ 21） 各個(gè)電機(jī)實(shí)際輸出的功率