【文章內(nèi)容簡介】 ....................................................58 引言 ..........................................................................................................................58 電源調(diào)試 ..................................................................................................................58 DSP 最小系統(tǒng)調(diào)試 ...............................................................................................58 數(shù)字羅盤和無線通信調(diào)試 ......................................................................................59 聲納調(diào)試 ..................................................................................................................60 加速度計和陀螺儀調(diào)試 ..........................................................................................61 系統(tǒng)調(diào)試 ..................................................................................................................61 系統(tǒng)正向標定 ................................................................................................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 .................................................................................錯誤 !未定義書簽。 參考文獻 .............................................................................錯誤 !未定義書簽。 碩士論文 小型四旋翼無人直升機控制系統(tǒng)設(shè)計 1 1 緒論 引言 與固定翼飛機相比，旋翼機具有垂直起降的能力。四旋翼直升機是一種外形獨特的旋翼機，國外對四旋翼飛機有多種叫法，如 fourrotor、 Quardrotor、 X4Flyer、 4 rotors helicopter 等等 [1]。 由于結(jié)構(gòu)的對稱性， 四旋翼直升機在操縱性和機械機構(gòu)方面具有很多潛在的優(yōu)勢。如圖 所示，旋翼 3 順時針旋轉(zhuǎn)，旋翼 4 逆時針旋轉(zhuǎn)，旋翼的扭矩會自動平衡。 而 傳統(tǒng)直升機必 須加一個尾翼用來平衡旋翼扭矩，這個尾翼對向上的推力無幫助作用， 浪費了能量。另外，由 于四旋翼機的旋 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 飛行原理 示意圖 四旋翼直升機 工作原理 四旋翼直升機 有 4 個控制輸入量 ，分別為四個 旋翼的 轉(zhuǎn)速； 6 個輸出量 ， 分別為飛機位置量（ x、 y、 z）和姿態(tài)角 (俯仰角 ? 、橫滾角 ? 、航向角 ? )。四旋翼直升 機通過 調(diào)節(jié)對角線上旋翼的轉(zhuǎn)速來改變姿態(tài)： 圖 中， 3 旋翼的 推力不同 會 改變四旋翼直升機的 俯仰角，同時在機體 X 方向產(chǎn)生一個 加速度 。由于對稱性，在機體 Y 方向也會產(chǎn)生相似的作用。四旋翼直升機改變對角旋翼的轉(zhuǎn)速大小 ， 同時往相反方向改變另外一對旋翼的轉(zhuǎn)速的大小，兩對旋翼間扭矩 便不再平衡 ，從而航向角改變。 四旋翼直升機 發(fā)展歷史 過去的一百多年里，人類投入了大量的資金和努力來研究和設(shè)計旋翼機。二十世紀早期，旋翼機的設(shè)計目標就是制造出一個可以垂直起降和懸停的機器。 1 緒論 碩士論文 四旋翼直升機有一段漫長而又斷斷續(xù)續(xù)的歷史 [3][4]。 最早的四旋翼飛機可以追溯到 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 年美國軍方資助 Gee de Bothezat 研制了一個大型的四旋翼機（圖 ），但是飛行表現(xiàn)不能令人滿意，另外費用高昂和當時固定翼飛機的流行使得該項目最終擱淺。最成功的四旋翼飛機是 1956 年由 covertawing 公司資助 研制出的‘ H’型的四旋翼機（圖 ）， 但是由于工程人員缺乏足夠的興趣，該項目也最終停止。 20 世 紀 80 年代 隨著微小型飛機新型材料、微機電（ MEMS）、微慣導(dǎo)（ MIMU）的產(chǎn)生和飛行控制理論的 發(fā)展 ，微小型飛機得到迅速發(fā)展。由于其廣泛的應(yīng)用前景和使用價值，四旋翼無人直升機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人直升機是加拿大 RC Toys 公司的遙控航模玩具Draganflyer，有很多研究 單位 的四旋翼機都是在它或者它的改進系統(tǒng)上進行開發(fā)的。 圖 Gee de Bothezat制作的四旋翼機 圖 國內(nèi)外 研究現(xiàn)狀 和 研究熱點 國外研究現(xiàn)狀 國外 對 四旋翼無人直升機研究非?；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)計可以實現(xiàn)穩(wěn)定 飛行 [18]。澳大利亞臥龍崗大學(xué)的 McKerrow 對 Draganflyer 進行了精確建模 [19]。 目前 國外 四旋翼無人直升機的研究 工作 主要集中在以下三個方面：基于慣導(dǎo)的自主飛行、基于視覺系統(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 小型四旋翼無人直升機控制系統(tǒng)設(shè)計 3 學(xué)院的 OS4（圖 ） [4] [5]、澳大利亞國立大學(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 澳大利亞國立大學(xué)的 X4 國內(nèi)研究現(xiàn)狀 國內(nèi)對于四旋翼機的研究主要集中在幾所高校之中。例如 國防科技大學(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]、 中國空空導(dǎo)彈研究院 [12]、電子科技集 團第二十七研究所 [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算機仿真，提出了很多控制算法。 例如 ， 針對無人機模型的不確定性和非線性設(shè)計的 DI/QFT（動態(tài)逆 /定量反饋理論）控制器 [1][11]，國防科技大學(xué)提出的自抗擾控制器（ ADRC）可以對小型四旋翼直升機實現(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。 四旋翼直升機研究熱點 四旋翼直升機目 前的研究熱點可以分為以下幾點：系統(tǒng)的分析與建模、系統(tǒng)姿態(tài)控制和編隊飛行等等。 （ 1）四旋翼無人 直升 機 的 建模 1 緒論 碩士論文 澳大利亞臥龍崗大學(xué)的 McKerrow 對 Draganflyer 進行了精確建模 [19]。澳大利亞、法國和美國的學(xué)者共同對 X4flyer 進行了動態(tài)建模和鎮(zhèn)定配置的研究 [6]。斯坦福的研究小組也對自己的試驗平臺（ STARMAC）進行了建模和參數(shù)辨識工作 [21]。 法國和阿爾及利亞的學(xué)者在文 獻 [22]給出了四旋翼直升機動態(tài)建模和用實驗確定參數(shù)的方法。 （ 2）四旋翼 無人直升 機的姿態(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、戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈、協(xié)同機器手、水下機器人等剛體均需要姿態(tài)控制 [23]。對于四旋翼無人直升機 的姿態(tài)控制， 很多文獻給出的都是傳統(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]實現(xiàn)了 四旋翼 飛行器 的 姿態(tài)控制。 另 外 還有文獻給出了 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]、基于視覺的 控制 [7][28][29]、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制和 改進魯棒自適應(yīng)模糊控制等等。 （ 3）四旋翼無人直升機 飛行 編隊 飛行編隊（ flight formation）有很多好處， 例如 飛機個體之間靠的足夠近 ，可以減少誘導(dǎo)阻力從而減少燃料消耗。 MIT 的研究人員對四旋翼無人機的研究工作處于世界領(lǐng)先地位，他們開發(fā)了室內(nèi)多任務(wù)、多場景、長時間 UAV 任務(wù)測試平臺（圖 ） [30]。MIT 的 G. Gowtham 在對編隊建模時考慮了 生物群組如鳥群、魚群、昆蟲和動物群在改變方向、避免碰撞和環(huán)境阻礙時的合作行為。給出 了一組高效指引編隊飛行的命令 。 （ a） 十機編隊飛行 圖 （ b）三機編隊飛行 圖 圖 MIT多機編隊飛行 論文內(nèi)容安排 本文針對 實際 四旋翼無人機系統(tǒng)，研究并開發(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， 首先簡要 介紹四旋翼直升機的歷史概況 ；接著 介紹四旋翼無人機碩士論文 小型四旋翼無人直升機控制系統(tǒng)設(shè)計 5 的 飛行 原理和研究現(xiàn)狀； 最后是四旋翼無人直升機的研究熱點和主要技術(shù)。 第二章為總體設(shè)計， 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；接下來給出了 了 各 功能 模塊的設(shè)計思路 ，為以下各章內(nèi)容做 準備。 第三章為硬件 子 系統(tǒng)設(shè)計，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)計步驟和電路 抗干擾的措施。 第四章為 四旋翼無人機的捷聯(lián)慣導(dǎo) 子系統(tǒng) 設(shè)計 ， 首先介紹基本的捷聯(lián)慣導(dǎo) 技術(shù) ；然后根據(jù)本實驗平臺的特點將捷聯(lián)慣導(dǎo)簡化處理； 接下來 進行捷聯(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 運動定律給出了四旋翼無人直升機的運動模型；然后 對實際系統(tǒng) 進行 了 模型參 數(shù) 辨識；最 后 ， 搭建 Simulink 仿真平臺，設(shè)計 PID 控制器 來 控制系統(tǒng)姿態(tài)角。 第六章為軟件設(shè)計，首先 給出控制系統(tǒng)的軟件總流程 ， 然后分別對每個模塊 的 算法流程 和軟件實現(xiàn) 進行介紹。 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)試過程和調(diào)試結(jié)果 ，最后給出了控制系統(tǒng)調(diào)試的過程和調(diào)試結(jié)果 。 第八章為總結(jié)與展望。 2 總體設(shè)計 碩士論文 2 總體設(shè)計 設(shè)計目標 目前， 國內(nèi) 外 有 很多 四旋翼 無人 直升機 模型的 生產(chǎn) 廠家， 從購買渠道和方便維護考慮，選用的機體