【正文】 F D y ) / my y239。cosq cosf2236。i =1234。F = S F = ( F ) sinq siny cosf cosy sinf234。6234。 249。 sinq cosy cosf + siny sinfsinq siny cos f cosy sin fcosq cosf 249。 下面進行六旋翼無人機運動方程的推導。而且11 cosq cosy cosq siny sin q234。 運動方程的推導 本節(jié)主要完成六旋翼無人機運動方程的推導。而每個電機負載約為 400g，從圖 26 中得出工作電流約為 5A，那么可以得到總的工作電流約為 30A。因此，六個電機可以提供約為 6kg 左右的總拉力。 圖 25 恒力 W4220 電機 根據(jù)該電機的電流拉力曲線，如圖 26圖 26 拉力電流曲線 所示。 考慮到整機的設(shè)計質(zhì)量在 2kg 左右， 而無人機必須具有一定的推重比才能保證在大角度機動與高速運動時的控制性能。 由于內(nèi)轉(zhuǎn)子無刷直流電機的轉(zhuǎn)速一般比較高，需要配合減速器使用，這樣就使得機體的機械結(jié)構(gòu)更加復雜，也增加了機體的成本。因此，電機的特性對于無人機控制系統(tǒng)的性能起著至關(guān)重要的影響。機身下部可以接駁云臺固定架，方便了硬件的擴展。而這種 機械設(shè)計又能夠 在保證便攜性的 前提10 哈爾濱工業(yè)大學本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 下，使得機體取得較高的機械強度，進而減少因為機體抖動對控制系統(tǒng)性能的影響。 機架選型 根據(jù)對機架的基本要求，最終選購了 SkyKnigh tY6700 型機架，如圖 23 所示 圖 23 SkyKnightY6 機架 圖 24 機架折疊狀態(tài) 該機架機身部分采用碳纖維制作，電機座部分的連接件采用鋁合金制作，重量為 558g。而展開的機翼無法滿足便攜的要求，因此需要能夠折疊機翼。 其次，考慮到要能夠便于攜帶，六邊形的結(jié)構(gòu)無法滿足這個需求。 六旋翼無人機機體結(jié)構(gòu)設(shè)計 對于無人機的需求主要有電影拍攝、航拍攝影、電網(wǎng)巡線、油路巡線、軍事偵察、災害探查等，針對需求進行分析，對于六旋翼無人機的基本要求有：具有一定的載荷，易于攜帶，具有較強的環(huán)境適應性，對于惡劣的環(huán)境能夠適應，具有一定的續(xù)航時間。同理，減小 5 號旋翼的轉(zhuǎn)速，增大 6 號旋翼的轉(zhuǎn)速，將會在 z 軸上產(chǎn)生一個負力矩，這會導致機體產(chǎn)生一個 z 軸上負的角加速度，進一步使得機體在 z 軸上產(chǎn)生一個負的角度。保持這兩個力矩相等，六旋翼無人機將在偏航軸上保持不變。六旋翼無人 機在偏航軸上 的轉(zhuǎn)動是由旋翼 轉(zhuǎn)動所產(chǎn)生的 反力9 哈爾濱工業(yè)大學本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 矩實現(xiàn)的，由于 5 號旋翼順時針旋轉(zhuǎn)，則機體受到 5 號旋翼逆時針方向的力矩。 （4）自旋運動：該六旋翼無人機采用上下并列的電機安裝方式，其結(jié)構(gòu)圖如圖 22 所示 圖 22 共軸旋翼結(jié)構(gòu) 上下旋翼的旋向相反，這樣旋翼轉(zhuǎn)動所產(chǎn)生的反扭矩相互抵消，不會造成機體的自旋。同理，減小 4 號旋翼的轉(zhuǎn)速并增大 6 號旋翼的轉(zhuǎn)速，可以在 x 軸上產(chǎn)生一個負力矩，該力矩會導致機體的橫滾角 f 為負，即機體向左傾斜。 （3）左飛、右飛：增大 4 號旋翼的轉(zhuǎn)速并減小 6 號旋翼的轉(zhuǎn)速，可以在 x 軸上產(chǎn)生一個正力矩，該力矩會導致機體的橫滾角 f 為正，即機體向右傾斜。同理，增大 6 號旋翼的轉(zhuǎn)速，同時減小 2 號旋翼的轉(zhuǎn)速，可以產(chǎn)生一個 y 軸上的負力矩，該力矩作用在機體上會造成俯仰角q 為負，即機體向后傾斜。 （2）前飛、后飛：如圖 21 所示，減小 6 號旋翼的轉(zhuǎn)速，同時增加2 號旋翼的轉(zhuǎn)速，可以產(chǎn)生一個 y 軸上的正力矩，該力矩作用在機體上會造成俯仰角q 為正，即機體向前傾斜。姿態(tài)角定義如下：俯仰角θ(pitch)：機體軸 x 與大地水平面間所夾角度，向下為正； 偏航角ψ(yaw)：機體 軸 x 在大地水平面上的投影與大地坐標系中 x 軸之間所8 夾角度，機頭向左為正； 哈爾濱工業(yè)大學本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 橫滾角φ(roll)：機體軸 z 與過機體軸 x 的大地豎直平面之間的夾角，飛機向右時為正。 機體坐標系的 x 軸通過機體的重心，指向飛機的前進方向，y 軸通過機體的重心，指向機體的左翼方向，z 軸通過飛機的重心，與 x，y 垂直指向飛行器的上方。 六旋翼無人機飛行機理分析 六旋翼無人機的機體結(jié)構(gòu)如圖 21 所示 zM5M6M1M2xM3M4y圖 21 機體結(jié)構(gòu) 為了簡化分析，在 建立數(shù)學模型之前首先作出一些假設(shè)，首先，假定飛行器機體具有足夠的機械強度，視為絕對剛體，不考慮機體變形所產(chǎn)生的影響；而且假定飛行器的機體質(zhì)量與機體轉(zhuǎn)動慣量不變，保持為一常量，其次，假定旋翼亦為絕對剛體，忽略旋翼運動時候所產(chǎn)生的擺動與扭轉(zhuǎn)；最后，忽略上下旋翼之間的氣動干擾且假定機體為左右對稱的結(jié)構(gòu)，不存在機體質(zhì)量偏置，兩個旋翼在相同轉(zhuǎn)速下提供相同的升力。 第五章主要分為兩部分，第一部分介紹了飛行控制軟件的設(shè)計，詳細闡述了設(shè)計過程中保證實時性與可靠性的理念，第二部分通過實際的飛行測試，證實了控制系統(tǒng)的優(yōu)秀性能。 第三章設(shè)計實現(xiàn)了完整的六旋翼無人機控制系統(tǒng)硬件系統(tǒng)，組建了高精度的傳感器系統(tǒng)，并完成了飛行控制器硬件的設(shè)計與實現(xiàn)，完成了硬件調(diào)試工作以及驅(qū)動的編寫工作。 本文主要研究內(nèi)容 論 文主要完成 了多旋翼無人 機控制系統(tǒng) 硬件的設(shè) 計與控制系 統(tǒng)總體結(jié)構(gòu) 的設(shè)計，在實現(xiàn)了控制系統(tǒng)軟硬件的基礎(chǔ)上，完成了實際飛行試驗，證實了控制方法的有效性。 六旋翼控制理論研究現(xiàn)狀 在控制方法上，關(guān)于多旋翼無人機的控制方法已經(jīng)得到了很多來自世界各地學者們的研究，Kim 等人對 PID 控制方法在多旋翼無人機中的應用進行了研究 ，Bouabdallah 在多旋翼無人機的控制中，分別使用了 IB 與 LQ 方法，最終都取得了比較好的控制效果；由于變結(jié)構(gòu)理論的進一步發(fā)展，Kim 等人將變結(jié)構(gòu)控制應用到多旋翼無人機的控制方法中； Backstepping 方法也常被運用于多旋翼無人機的控制 ，Sanca 等人對 Backstepping 方法進行了仿真測試 ?？梢栽诙虝r間內(nèi)完成整個機體的拆裝工作。因此，只需要從控制方面對飛行時的狀態(tài)進行判斷，即可以靈活地對總拉力的分配進行重新考慮，避免失控情況的出現(xiàn)，進而提高整個無人機系統(tǒng)的魯棒性 與可靠性， 這種可靠性的提 升對于無人機 的廣泛應用是有 重要意義的。對于四旋翼無人機，由于它的每個旋翼對于維持自身姿態(tài)穩(wěn)定都是必不可少的，因此，如果飛行時因為某種外 部因素造成 旋翼破損，四旋 翼無人機將無法 穩(wěn)定自身姿態(tài)并 很有可能墜毀。因此，六旋翼具有使控制系統(tǒng)性能更加優(yōu)秀的機體特性。然而，六旋翼無人機相比于四旋翼無人機，也具有一些顯著的優(yōu)點： （1）在保證機體尺寸相當?shù)那疤嵯?，六旋?無人機比四旋翼無人機更好地利用了機體的結(jié)構(gòu)空間，增加了旋翼的個數(shù)，提升了負載能力，將動力系統(tǒng)為機體提供的最大拉力提升，而且并沒有對總重量造成顯著的增加。配合其生產(chǎn)的 WooKong 飛控，可以達到很高的控制精度與極高的飛行穩(wěn)定性，配合禪思云臺，可以達到電影拍攝級別的航拍畫面。該型無人機已經(jīng)在諸如公共安全、航拍攝影、工業(yè)探查與教育領(lǐng)域進行了廣泛的應用。可以配備視頻眼鏡輔助操作。同時配備光學相機或紅外熱成像相機。其機架采用一體化的碳纖維制作。 六旋翼無人機的研究現(xiàn)狀 美國 Dragan fly 公司在六旋翼無人機的研究上有一些代表性的產(chǎn)品。由于飛行器的震動，所以對飛行速度與位置的估計不是很準確，因此使用擴展卡爾曼濾波改善信息估計。地面站系統(tǒng)由 PC 機、操縱桿組成。 [20]圖 12 GTMARS 與 MD4200 均為具有非常好的飛行性能的四旋翼無人圖 13 MD4200 圖 14 EADS [24]斯坦福大學也有關(guān)于小型四旋翼無人機的飛行控制研究，他們選擇Draganflyer 作為他們研 究平臺 STARMAC 的基礎(chǔ)平臺。在能量不足的時候，該無人機可以自動在能量補充點降落完成能量補充。續(xù)航時間約為 30 分鐘，到 2006 年，項目團隊已經(jīng)初步完成了所有的研究工作。由于初期的四旋翼只能依靠測試平臺進 行三個自由度以 內(nèi)的自由運動 ，而不能完全脫 離對于地 面系統(tǒng)的依賴，團隊成員開發(fā)出了第二代 OS4，使其能夠脫離測試平臺進行飛行 試驗。而 OS4 I 的電機調(diào)速裝置、電源、飛行控制均由外部提供。團隊成員采用萬向節(jié)制作測試平臺。 OS4 是瑞士洛桑理工學院的一支研究團隊研發(fā)的一種小型四旋翼飛行器，主要研究飛行自主 控制算法與結(jié) 構(gòu)設(shè)計，他們的 目標是實現(xiàn)四 旋翼在室內(nèi)環(huán) 境與室外環(huán)境內(nèi)的完全自主飛行。 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 多旋翼無人機的研究主要集中在四旋翼領(lǐng)域，而對于六旋翼的研究則 比較少，四旋翼的研究對于六旋翼的研究也具有很大的借鑒意義，它們在姿態(tài)測量、傳感器濾波與融合等方面具有很強的共通性，因此，下面分兩部分進行現(xiàn)狀探討。相比于通常的大型固定翼無人機，小型六旋翼無人機具有緊湊的機械結(jié)構(gòu)、低廉的成本與卓越的低速運動性能，因此，在民用領(lǐng)域與軍用領(lǐng)域中都具有及其廣泛的用途，對于該種無人機的研究是具有比較可觀的應用前景的。由于小型無人機的數(shù)學模型中具有較多的非線性以及耦合性，因此具有較大的模型不確定性，從而導致了對控制方法提出了各種難點，有待進一步的研究 。 而且，對于無人機控制理論的研究方興未艾，有許多熱點問題正在被世界各地的科研工作者共同探討。 在民用方面，無人機 可以進行地震等災害之后的救援，對高壓線、大壩進行巡線監(jiān)察，可以對林區(qū)進行防火監(jiān)察，可以在農(nóng)田中噴灑農(nóng)用藥物，在裝備攝像頭之后，可以在空中采集圖像，完成電影拍攝等任務(wù)?？梢苑奖愕財y帶與運輸。 （3）機身小巧、便于攜帶。其緊湊的結(jié)構(gòu)同時也提高了六旋翼無人機的可靠性。六旋翼無人機采用多旋翼設(shè)計，其機臂可以進行折疊，旋翼也可以進行快速的安裝與替換。 在必要的時候可 以在建筑物的頂 棚實現(xiàn)緊急降落。 現(xiàn)在通常使用的無人機，如美國的全球鷹系列 無人機，均屬于固定翼無人機，而多旋翼無人機相較于全球鷹系列為代表的固定翼無人機，具有以下優(yōu)點： （1）具有優(yōu)秀的低速性能與垂直起降性能， 適合在復雜的城市環(huán)境中進行偵查。而小型旋翼飛行器能夠?qū)崿F(xiàn)垂直起降功能，不需要專用的起飛與降落場地，而且能夠在特定空域?qū)崿F(xiàn)定點懸停，搭載有效的偵察設(shè)備對固定目標進行長期的監(jiān)視。要求無 人機能夠在狹窄的空間內(nèi) 進行有效的機動進而 完成偵察任務(wù)。無人機需要 裝載必要的偵查 設(shè)備在復雜的 城市環(huán)境或者 山區(qū)環(huán)境中執(zhí) 行特殊的軍事任務(wù)。國際科 研機構(gòu)已經(jīng)發(fā)出了對于無人 機研究領(lǐng)域的大 膽預測， 全世界對于無人 機的需求將在 短時間內(nèi)迅速攀升；在軍事領(lǐng)域中，將存在超過 12 萬架無人機部署在全球各地 。 自從阿富汗戰(zhàn)爭與伊拉克戰(zhàn)爭以來，美軍從戰(zhàn)場的作戰(zhàn)經(jīng)驗中迅速認識到了無人機所扮演的重要 角色，將戰(zhàn)場的 戰(zhàn)斗模式快速 地變化為無人機 輔助條件下的作戰(zhàn)方法。在阿富汗戰(zhàn)爭中的無人機使用經(jīng)驗引發(fā)了英美兩軍的深度思考 。 世界上第一架無人靶機在 1933 年試飛成功，揭開了無人機的序幕 。在戰(zhàn)場上，無人機由于其避免人員傷亡、具備較高的執(zhí)行任務(wù)能力等特點，得到了大量的應用。最后，論文通過懸停試驗驗證了姿態(tài)控制器的控制精度；通過抗干擾能力試驗驗證了姿態(tài)控制器的穩(wěn)定性；通過信號跟蹤試驗驗 證了姿態(tài)控制器 的跟蹤性能 ；通過高度控 制實驗驗證了高 度控制器的控制性能 ；通過視頻跟 蹤實驗驗證了六 旋翼無人機整體 控制架構(gòu)的合理 性與有效性。然后，論文建立了六旋翼無人機的完整控制系統(tǒng)，其中包含位置控制部分、高度控制部分以及姿態(tài)控制部分，建立了一套完整的對姿態(tài)傳感器進行機械防震與數(shù)字濾波的方法；提出了一種新穎的氣壓計、超聲波傳感器和加速度計的融合方法，通過實驗驗證了濾波效果；提出了一種優(yōu)化的拉力分配方法使得控制系統(tǒng)的可靠性得到增強。并建立了六旋翼無人機的數(shù)學模型，根據(jù)實際情況對其數(shù)學模型進行了必要的簡化。. . . .摘 要 參考六旋翼無人機是一種具有可垂直起降能力的小型無人飛行器，它通過上下共軸放置的三組共六個電機提供升力，通過改變旋翼轉(zhuǎn)速來調(diào)整姿態(tài)，通過調(diào)整姿態(tài)進一步實現(xiàn)位置控制，具有懸停性能優(yōu)異、移動靈活、機械結(jié)構(gòu)緊湊、零部件可靠性高等優(yōu)點。 論文首先對六旋翼無人飛行器的調(diào)姿原理進行了介紹，分析了其飛行姿態(tài)的調(diào)整方式。接著，論文完成了對于六旋翼無人機控制系統(tǒng)硬件平臺的組建，組建了高精度的傳感器系統(tǒng)，并完成了飛行控制器硬件的設(shè)計與實現(xiàn)，完成了硬件調(diào)試工作以及驅(qū)動的編寫工作。接著，論文設(shè)計實現(xiàn)了飛行控制軟件的主要功能，從技術(shù)層面上對于實時性與可靠性進行了大幅的提升。 關(guān)鍵詞：六旋翼無人機；PID；多環(huán)路控制；數(shù)據(jù)融合 VI 哈爾濱工業(yè)大學本科畢業(yè)設(shè)計（論文） Abstract Hexrotor is one kind of small unmanned aerial vehicles (SUAV) which have the ability of verti