【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 ....................................................58 引言 ..........................................................................................................................58 電源調(diào)試 ..................................................................................................................58 DSP 最小系統(tǒng)調(diào)試 ...............................................................................................58 數(shù)字羅盤(pán)和無(wú)線通信調(diào)試 ......................................................................................59 聲納調(diào)試 ..................................................................................................................60 加速度計(jì)和陀螺儀調(diào)試 ..........................................................................................61 系統(tǒng)調(diào)試 ..................................................................................................................61 系統(tǒng)正向標(biāo)定 ................................................................................................61 姿態(tài)控制參數(shù)調(diào)試 ........................................................................................62 小 結(jié) ..........................................................................................................................64 8 總結(jié)與展望 ..................................................................................................65 致 謝 .................................................................................錯(cuò)誤 !未定義書(shū)簽。 參考文獻(xiàn) .............................................................................錯(cuò)誤 !未定義書(shū)簽。 碩士論文 小型四旋翼無(wú)人直升機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 1 1 緒論 引言 與固定翼飛機(jī)相比，旋翼機(jī)具有垂直起降的能力。四旋翼直升機(jī)是一種外形獨(dú)特的旋翼機(jī)，國(guó)外對(duì)四旋翼飛機(jī)有多種叫法，如 fourrotor、 Quardrotor、 X4Flyer、 4 rotors helicopter 等等 [1]。 由于結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性， 四旋翼直升機(jī)在操縱性和機(jī)械機(jī)構(gòu)方面具有很多潛在的優(yōu)勢(shì)。如圖 所示，旋翼 3 順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，旋翼 4 逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，旋翼的扭矩會(huì)自動(dòng)平衡。 而 傳統(tǒng)直升機(jī)必 須加一個(gè)尾翼用來(lái)平衡旋翼扭矩，這個(gè)尾翼對(duì)向上的推力無(wú)幫助作用， 浪費(fèi)了能量。另外，由 于四旋翼機(jī)的旋 翼更小， 轉(zhuǎn)速更高，因而 其效率更高 [2]；小旋翼 也 可以 減少旋翼碰撞周圍建筑物的概率，飛行更加安全。 圖 四旋翼 直升機(jī) 飛行原理 示意圖 四旋翼直升機(jī) 工作原理 四旋翼直升機(jī) 有 4 個(gè)控制輸入量 ，分別為四個(gè) 旋翼的 轉(zhuǎn)速； 6 個(gè)輸出量 ， 分別為飛機(jī)位置量（ x、 y、 z）和姿態(tài)角 (俯仰角 ? 、橫滾角 ? 、航向角 ? )。四旋翼直升 機(jī)通過(guò) 調(diào)節(jié)對(duì)角線上旋翼的轉(zhuǎn)速來(lái)改變姿態(tài)： 圖 中， 3 旋翼的 推力不同 會(huì) 改變四旋翼直升機(jī)的 俯仰角，同時(shí)在機(jī)體 X 方向產(chǎn)生一個(gè) 加速度 。由于對(duì)稱性，在機(jī)體 Y 方向也會(huì)產(chǎn)生相似的作用。四旋翼直升機(jī)改變對(duì)角旋翼的轉(zhuǎn)速大小 ， 同時(shí)往相反方向改變另外一對(duì)旋翼的轉(zhuǎn)速的大小，兩對(duì)旋翼間扭矩 便不再平衡 ，從而航向角改變。 四旋翼直升機(jī) 發(fā)展歷史 過(guò)去的一百多年里，人類投入了大量的資金和努力來(lái)研究和設(shè)計(jì)旋翼機(jī)。二十世紀(jì)早期，旋翼機(jī)的設(shè)計(jì)目標(biāo)就是制造出一個(gè)可以垂直起降和懸停的機(jī)器。 1 緒論 碩士論文 四旋翼直升機(jī)有一段漫長(zhǎng)而又?jǐn)鄶嗬m(xù)續(xù)的歷史 [3][4]。 最早的四旋翼飛機(jī)可以追溯到 1907 年，由 Louis 和 Jacques Breguet 等人研制出的 “ Gyroplane” 便已經(jīng)成功攜帶飛行員飛了 的高度。 1922 年美國(guó)軍方資助 Gee de Bothezat 研制了一個(gè)大型的四旋翼機(jī)（圖 ），但是飛行表現(xiàn)不能令人滿意，另外費(fèi)用高昂和當(dāng)時(shí)固定翼飛機(jī)的流行使得該項(xiàng)目最終擱淺。最成功的四旋翼飛機(jī)是 1956 年由 covertawing 公司資助 研制出的‘ H’型的四旋翼機(jī)（圖 ）， 但是由于工程人員缺乏足夠的興趣，該項(xiàng)目也最終停止。 20 世 紀(jì) 80 年代 隨著微小型飛機(jī)新型材料、微機(jī)電（ MEMS）、微慣導(dǎo)（ MIMU）的產(chǎn)生和飛行控制理論的 發(fā)展 ，微小型飛機(jī)得到迅速發(fā)展。由于其廣泛的應(yīng)用前景和使用價(jià)值，四旋翼無(wú)人直升機(jī)吸引了大批研究人員和學(xué)者的關(guān)注。 目前商業(yè)化最成功的四旋翼無(wú)人直升機(jī)是加拿大 RC Toys 公司的遙控航模玩具Draganflyer，有很多研究 單位 的四旋翼機(jī)都是在它或者它的改進(jìn)系統(tǒng)上進(jìn)行開(kāi)發(fā)的。 圖 Gee de Bothezat制作的四旋翼機(jī) 圖 國(guó)內(nèi)外 研究現(xiàn)狀 和 研究熱點(diǎn) 國(guó)外研究現(xiàn)狀 國(guó)外 對(duì) 四旋翼無(wú)人直升機(jī)研究非?；钴S。加拿大雷克海德大學(xué)（ Lakehead University）的 Tayebi 和 McGilvray 證明了使用四旋翼設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定 飛行 [18]。澳大利亞臥龍崗大學(xué)的 McKerrow 對(duì) Draganflyer 進(jìn)行了精確建模 [19]。 目前 國(guó)外 四旋翼無(wú)人直升機(jī)的研究 工作 主要集中在以下三個(gè)方面：基于慣導(dǎo)的自主飛行、基于視覺(jué)系統(tǒng)的自主飛行和自主飛行器系統(tǒng)。典型代表有瑞士洛桑聯(lián)邦科技碩士論文 小型四旋翼無(wú)人直升機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 3 學(xué)院的 OS4（圖 ） [4] [5]、澳大利亞國(guó)立大學(xué)的 X4(圖 )[6] [7]、賓夕法尼亞大學(xué)的HMX4[3]、佐治亞理工大學(xué)的 GTMARS[3]、斯坦福的‘ Mesicopter’ [3] [8]等等。 （ a） OS4I （ b） OS4II 圖 OS4I和 OS4II 圖 澳大利亞國(guó)立大學(xué)的 X4 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀 國(guó)內(nèi)對(duì)于四旋翼機(jī)的研究主要集中在幾所高校之中。例如 國(guó)防科技大學(xué) [3][9]、 南京航空航天大學(xué) [1][4][10][11]、西北工業(yè)大學(xué) [12]、 中國(guó)空空導(dǎo)彈研究院 [12]、電子科技集 團(tuán)第二十七研究所 [13]、吉林大學(xué) [14]、 北京科技大學(xué) [15]和哈爾濱工業(yè)大學(xué) [16]等 等。大多數(shù)的研究方式是理論分析和計(jì)算機(jī)仿真，提出了很多控制算法。 例如 ， 針對(duì)無(wú)人機(jī)模型的不確定性和非線性設(shè)計(jì)的 DI/QFT（動(dòng)態(tài)逆 /定量反饋理論）控制器 [1][11]，國(guó)防科技大學(xué)提出的自抗擾控制器（ ADRC）可以對(duì)小型四旋翼直升機(jī)實(shí)現(xiàn)姿態(tài)增穩(wěn)控制 [9]，還有一些經(jīng)典的方法比如 PID[17][11]控制、 H? [16]控制等。 四旋翼直升機(jī)研究熱點(diǎn) 四旋翼直升機(jī)目 前的研究熱點(diǎn)可以分為以下幾點(diǎn)：系統(tǒng)的分析與建模、系統(tǒng)姿態(tài)控制和編隊(duì)飛行等等。 （ 1）四旋翼無(wú)人 直升 機(jī) 的 建模 1 緒論 碩士論文 澳大利亞臥龍崗大學(xué)的 McKerrow 對(duì) Draganflyer 進(jìn)行了精確建模 [19]。澳大利亞、法國(guó)和美國(guó)的學(xué)者共同對(duì) X4flyer 進(jìn)行了動(dòng)態(tài)建模和鎮(zhèn)定配置的研究 [6]。斯坦福的研究小組也對(duì)自己的試驗(yàn)平臺(tái)（ STARMAC）進(jìn)行了建模和參數(shù)辨識(shí)工作 [21]。 法國(guó)和阿爾及利亞的學(xué)者在文 獻(xiàn) [22]給出了四旋翼直升機(jī)動(dòng)態(tài)建模和用實(shí)驗(yàn)確定參數(shù)的方法。 （ 2）四旋翼 無(wú)人直升 機(jī)的姿態(tài)控制 姿態(tài)控制是 四旋翼飛行 控制系 統(tǒng)的核心?？臻g飛行器、衛(wèi)星、直升機(jī)、戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈、協(xié)同機(jī)器手、水下機(jī)器人等剛體均需要姿態(tài)控制 [23]。對(duì)于四旋翼無(wú)人直升機(jī) 的姿態(tài)控制， 很多文獻(xiàn)給出的都是傳統(tǒng)的 PID 和狀態(tài)空間控制 方法 ，還有一部分是滑模和 H? 控制。例如瑞士聯(lián)邦理工學(xué)院的 OS4 已經(jīng)分別用 PID[23] 、 LQ[23] 、 backstepping[5][24] 、Sliding – mode[5]實(shí)現(xiàn)了 四旋翼 飛行器 的 姿態(tài)控制。 另 外 還有文獻(xiàn)給出了 全狀態(tài)反推法 (full state backstepping)[25]、 基于不變流型(Kinematicsbased)的控制法 [26]、 切換控制 [27]、基于視覺(jué)的 控制 [7][28][29]、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制和 改進(jìn)魯棒自適應(yīng)模糊控制等等。 （ 3）四旋翼無(wú)人直升機(jī) 飛行 編隊(duì) 飛行編隊(duì)（ flight formation）有很多好處， 例如 飛機(jī)個(gè)體之間靠的足夠近 ，可以減少誘導(dǎo)阻力從而減少燃料消耗。 MIT 的研究人員對(duì)四旋翼無(wú)人機(jī)的研究工作處于世界領(lǐng)先地位，他們開(kāi)發(fā)了室內(nèi)多任務(wù)、多場(chǎng)景、長(zhǎng)時(shí)間 UAV 任務(wù)測(cè)試平臺(tái)（圖 ） [30]。MIT 的 G. Gowtham 在對(duì)編隊(duì)建模時(shí)考慮了 生物群組如鳥(niǎo)群、魚(yú)群、昆蟲(chóng)和動(dòng)物群在改變方向、避免碰撞和環(huán)境阻礙時(shí)的合作行為。給出 了一組高效指引編隊(duì)飛行的命令 。 （ a） 十機(jī)編隊(duì)飛行 圖 （ b）三機(jī)編隊(duì)飛行 圖 圖 MIT多機(jī)編隊(duì)飛行 論文內(nèi)容安排 本文針對(duì) 實(shí)際 四旋翼無(wú)人機(jī)系統(tǒng)，研究并開(kāi)發(fā)了控制器的軟硬件系統(tǒng)，主要內(nèi)容如下： 第一章為緒論， 首先簡(jiǎn)要 介紹四旋翼直升機(jī)的歷史概況 ；接著 介紹四旋翼無(wú)人機(jī)碩士論文 小型四旋翼無(wú)人直升機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 5 的 飛行 原理和研究現(xiàn)狀； 最后是四旋翼無(wú)人直升機(jī)的研究熱點(diǎn)和主要技術(shù)。 第二章為總體設(shè)計(jì)， 首先 將 軟 硬件系 統(tǒng)分解 成 基本 功能模塊 ，分別介紹了分各模塊的功能和作用；接下來(lái)給出了 了 各 功能 模塊的設(shè)計(jì)思路 ，為以下各章內(nèi)容做 準(zhǔn)備。 第三章為硬件 子 系統(tǒng)設(shè)計(jì)，介紹了元器件的選型原則和 選型結(jié)果； 并且給出了 DSP最小系統(tǒng)的設(shè)計(jì)步驟和電路 抗干擾的措施。 第四章為 四旋翼無(wú)人機(jī)的捷聯(lián)慣導(dǎo) 子系統(tǒng) 設(shè)計(jì) ， 首先介紹基本的捷聯(lián)慣導(dǎo) 技術(shù) ；然后根據(jù)本實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的特點(diǎn)將捷聯(lián)慣導(dǎo)簡(jiǎn)化處理； 接下來(lái) 進(jìn)行捷聯(lián)慣性導(dǎo)航算法的 姿態(tài)解算； 最后 ， 給出了各姿態(tài)角隨時(shí)間變化曲線 。 第五章為系統(tǒng)的建模與仿真 ， 首先根據(jù) 牛頓 運(yùn)動(dòng)定律給出了四旋翼無(wú)人直升機(jī)的運(yùn)動(dòng)模型；然后 對(duì)實(shí)際系統(tǒng) 進(jìn)行 了 模型參 數(shù) 辨識(shí)；最 后 ， 搭建 Simulink 仿真平臺(tái)，設(shè)計(jì) PID 控制器 來(lái) 控制系統(tǒng)姿態(tài)角。 第六章為軟件設(shè)計(jì)，首先 給出控制系統(tǒng)的軟件總流程 ， 然后分別對(duì)每個(gè)模塊 的 算法流程 和軟件實(shí)現(xiàn) 進(jìn)行介紹。 第七章是系統(tǒng)調(diào)試，介紹了 DSP 最小系統(tǒng)和 控制器各 元器件的調(diào)試過(guò)程和調(diào)試結(jié)果 ，最后給出了控制系統(tǒng)調(diào)試的過(guò)程和調(diào)試結(jié)果 。 第八章為總結(jié)與展望。 2 總體設(shè)計(jì) 碩士論文 2 總體設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì)目標(biāo) 目前， 國(guó)內(nèi) 外 有 很多 四旋翼 無(wú)人 直升機(jī) 模型的 生產(chǎn) 廠家， 從購(gòu)買渠道和方便維護(hù)考慮，選用的機(jī)體