【正文】 ................................................................................ 31 超聲傳感器的濾波 ................................................................................... 31 高度傳感器與加速度計(jì)的融合算法 ....................................................... 34 高度控制器結(jié)構(gòu) ....................................................................................... 37 第 5 章 位置控制 .......................................................................................................... 37 本章小結(jié) .......................................................................................................... 38 六旋翼無(wú)人機(jī)飛控軟件設(shè)計(jì)與飛行試驗(yàn) ........................ 39 飛控軟件設(shè)計(jì) .................................................................................................. 39 飛控軟件功能設(shè)計(jì) ................................................................................... 39 飛控軟件總體架構(gòu) ................................................................................... 40 實(shí)時(shí)性與可靠性設(shè)計(jì) ............................................................................... 40 飛行試驗(yàn) .......................................................................................................... 41 懸停測(cè)試 ................................................................................................... 42 抗干擾能力測(cè)試 ....................................................................................... 43 信號(hào)跟蹤實(shí)驗(yàn) ........................................................................................... 43 高度控制實(shí)驗(yàn) ........................................................................................... 44 視覺(jué)跟蹤實(shí)驗(yàn) ........................................................................................... 45 本章小結(jié) .......................................................................................................... 45 結(jié) 論 .......................................................... 47 參考文獻(xiàn) .......................................................... 48 哈爾濱工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）原創(chuàng)性聲明 ....................... 51 致 謝 .......................................................... 52 附 錄 .......................................................... 53IX 哈爾濱工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第1章緒 論 論文研究的目的與意義 [1][27][26][2][26][27][28][27][32]近年來(lái)，在民用領(lǐng)域，無(wú)人機(jī)技術(shù)在救災(zāi)、航拍、農(nóng)業(yè)、偵查等各個(gè)領(lǐng)域內(nèi)取得了廣泛的關(guān)注與研究。小型旋翼型無(wú)人機(jī)由于具有優(yōu)異的機(jī)動(dòng)性能、簡(jiǎn)單的機(jī)械結(jié)構(gòu)、方便的部署與維護(hù)等特點(diǎn)，得到了多方面的應(yīng)用 。在阿富汗戰(zhàn)爭(zhēng)中，無(wú)人飛行器逐漸從后臺(tái)走向前臺(tái)，從輔助者轉(zhuǎn)變?yōu)楣粽摺?007 年，英空軍也付諸實(shí)踐，采用改裝的戰(zhàn)斗機(jī)與 4 架無(wú)人飛行器協(xié)同作戰(zhàn)，成功完成軍事任務(wù) 。從現(xiàn)在的部署情況看來(lái)，無(wú)人機(jī)技術(shù)已經(jīng)在至少 40 個(gè)國(guó)家或地區(qū)中部署使用 ，已經(jīng)部署的型號(hào)數(shù)量達(dá)到 80 種，美軍擁有數(shù)量驚人的軍用無(wú)人機(jī)，無(wú)人機(jī)技術(shù)已經(jīng)被美國(guó) 當(dāng)做未來(lái)戰(zhàn)爭(zhēng)中的 重要武器技術(shù)進(jìn)行研 究 。 而隨著技術(shù)的發(fā)展以及軍事模式的演變，無(wú)人機(jī)的工作環(huán)境正變得日益復(fù)雜起來(lái)。而 由于環(huán)境的復(fù)雜 性，往往對(duì)無(wú) 人機(jī)的低速性能會(huì) 提出較高的要求。 但是目前大量使用的常規(guī) 固定翼布局無(wú)人 機(jī)往往需要 較長(zhǎng)的專(zhuān)用跑 道起飛，采用盤(pán) 旋或者掠飛的方式對(duì)某固定目標(biāo)進(jìn)行偵查，因此，無(wú)法滿足在復(fù)雜城市環(huán)境或者山區(qū)環(huán)境對(duì)特定目標(biāo)的偵查任務(wù)。因此，小型旋翼機(jī)由于其出色的低速性能、緊湊的機(jī)械結(jié)構(gòu)以及良好的機(jī)動(dòng)性能，成為當(dāng)今無(wú)人機(jī)技術(shù)研究中的一個(gè)熱點(diǎn) 。六旋翼無(wú)人機(jī)可以實(shí)現(xiàn)狹小空間內(nèi)的垂直起降功能，可以在任務(wù)需要的時(shí)候在1 [8][3][8]哈爾濱工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 空中某處定點(diǎn)懸停 對(duì)目標(biāo)進(jìn)行持續(xù) 的跟蹤。 （2）具有緊湊的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，控制結(jié)構(gòu)也較為 簡(jiǎn)單。因此，可以方便地進(jìn)行運(yùn)輸與快速的部署。僅需保證電機(jī)的正 常運(yùn)作即可，不 需考慮如直升 機(jī)中運(yùn)用的復(fù)雜機(jī) 械結(jié)構(gòu)的可靠性問(wèn)題。由于六旋翼無(wú)人 機(jī)具有緊湊的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，因此，組裝與拆分也變得非常方便。使得六旋翼無(wú)人機(jī)在軍事應(yīng)用中更加方便。在軍用方面，可以實(shí)現(xiàn)作戰(zhàn)小分隊(duì)的小范圍空中偵察，完成對(duì)地面目標(biāo)的持續(xù)監(jiān)視功能，彌補(bǔ)大型固定翼無(wú)人機(jī)裝備級(jí)別較高，無(wú)法靈活進(jìn)行戰(zhàn)場(chǎng)部署的缺點(diǎn) 。例如把慣性測(cè)量元件與視覺(jué)識(shí)別結(jié)合起來(lái)，提供對(duì)包括無(wú)人機(jī)姿態(tài)、位置信息在內(nèi)的機(jī)體信息的估計(jì) ，可以取得比單獨(dú)使用慣性測(cè)量元件和視覺(jué)識(shí)別方法更優(yōu)的姿態(tài)、位置信息的估計(jì)。 同時(shí)，小型六旋翼無(wú)人 飛行器具有很大的經(jīng)濟(jì)潛力，具有很大的潛在市場(chǎng)。 綜上所述，該論文對(duì)六旋翼無(wú)人機(jī)理論的研究以及在工程上的實(shí)踐對(duì)于進(jìn)一步的理論研究、無(wú)人機(jī)技術(shù)的發(fā)展、開(kāi)發(fā)潛在的市場(chǎng)需求等方面都具有很強(qiáng)的實(shí)際意義。 2 [4]哈爾濱工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 四旋翼無(wú)人機(jī)的研究現(xiàn)狀 最近幾年，四旋翼無(wú)人機(jī)領(lǐng)域的研究成果急速增長(zhǎng)，下面對(duì)一些具有代表性的研究成果進(jìn)行列舉。該項(xiàng)目分為兩個(gè)階段，OS4I 質(zhì)量約為 235 g，最大長(zhǎng)度為 73cm；團(tuán)隊(duì)成員開(kāi)發(fā)出了一套從上到下的設(shè)計(jì)方法論，通過(guò)飛機(jī)總體質(zhì)量，總體尺寸以及推重比等參數(shù)，在可選的數(shù)據(jù)庫(kù)中挑選最佳的設(shè)計(jì)方案。他們將四旋翼機(jī)架放置在通過(guò)萬(wàn)向節(jié)連接的測(cè)試平臺(tái)上，能夠在俯仰、橫滾、偏航三個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)方向上提供自由度。OS4 團(tuán)隊(duì)對(duì)于各種控制方法都進(jìn)行了有效地實(shí)驗(yàn)，最后通過(guò)實(shí)驗(yàn)得出 IB 控 制方法可以得到較好控制特性的結(jié)論。OS4II 與 OS4I 相比，完全脫離了對(duì)萬(wàn)向節(jié)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的依賴(lài)，機(jī)載鋰電池與飛行控制系統(tǒng)。 [16]GTMARS圖 11 OS4 與 OS4II 是面向火星探測(cè)而設(shè)計(jì)的小型旋翼飛行器系統(tǒng)，由佐治亞理工大學(xué)研制，該飛行器具有很大的重量，可以背負(fù)較大的載荷，其旋翼尺寸達(dá)到了驚人的 。 3 哈爾濱工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） EADS Quattrocopter飛行器。該平臺(tái)主要由MicroStrain 的慣性測(cè)姿模塊，微控制芯片，超聲波傳感器，GPS 接收機(jī)與藍(lán)牙通訊設(shè)備。機(jī)載平臺(tái)將飛行器的實(shí)時(shí)姿態(tài)信息與控制信息發(fā)送給地面站。最后取得了較好的懸停性能與抗風(fēng)擾性能。 Dragan fly X6 六旋翼無(wú)人機(jī)重量小于 2kg，載 重能力 500g，具有 GPS 定位功能，可以進(jìn)行高度鎖定。具有一體化設(shè)計(jì)的遙控器，在遙控器上面實(shí)時(shí)顯示電池電量、飛行高度、飛行速度、飛行朝向等飛行信息，可以傳輸視頻信息。續(xù)航時(shí)間約為 15 分鐘。該型無(wú)人機(jī)具有特殊設(shè)計(jì)的可折疊機(jī)架，在保證機(jī)體機(jī)械強(qiáng)度的前提下提供便攜的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。 4 哈爾濱工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 圖 15 Draganfly 無(wú)人機(jī) 圖 16 Draganfly 無(wú)人機(jī)飛行圖片 圖 17 折疊狀態(tài)下 圖 18 視頻眼鏡 大疆創(chuàng)新公司推出了針對(duì)專(zhuān)業(yè)航拍領(lǐng)域的六旋翼無(wú)人機(jī)S800，該六旋翼無(wú)人機(jī)采用分列放置旋翼的方法，其采用旋翼內(nèi)翻一定的角度的方法，增強(qiáng)無(wú)人機(jī)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。 圖 19 S800 六旋翼無(wú)人機(jī) 六旋翼無(wú)人機(jī)與四旋翼無(wú)人機(jī)均屬于多旋翼無(wú)人機(jī)的范疇，均具有可垂直起降無(wú)人機(jī)具有的所有優(yōu)點(diǎn)，例如可以在復(fù)雜的城市環(huán)境中完成對(duì)低速目標(biāo)的監(jiān)視；對(duì)復(fù)雜的地面情況進(jìn)行詳細(xì)的探查；在空中特定方位定點(diǎn)懸停完成特定任務(wù)。因此提高了整個(gè)飛行器的推重比，由于控制系統(tǒng)的性能受飛行器推重比的影響比較大，控制系統(tǒng)在系統(tǒng)推5 [12,4][4] [1]哈爾濱工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 力裕量較大時(shí)才 能較好地克服 諸如大風(fēng)、機(jī)體 抖動(dòng)等干擾的 影響達(dá)到較好地 控制效果。 （2）六旋翼無(wú)人機(jī)相比于四旋翼無(wú)人機(jī)具有 更加可靠的工作性能。然而對(duì)于六旋翼無(wú)人機(jī)，為了維護(hù)姿態(tài)的穩(wěn)定，它的每個(gè)旋翼并不都是必不可少的，從理論角度來(lái)講，缺失兩個(gè)旋翼的情況下，六旋翼無(wú)人機(jī)仍舊具有保持自身姿態(tài)穩(wěn)定的條件。 （3）六旋翼無(wú)人機(jī)相比于四旋翼無(wú)人機(jī)，具有靈活的機(jī)械 結(jié)構(gòu)配置方式，通過(guò)采用上下共軸雙槳的方式，可以只采用三根機(jī)臂的設(shè)計(jì)，這樣可以使便攜性更容易實(shí)現(xiàn)。 綜上所述，六旋翼無(wú)人機(jī)在 推重比、控制性能、可靠性等方面較四旋翼無(wú)人機(jī)具有更好的特性，但也不是完全否定四旋翼無(wú)人機(jī)的合理性，必須承認(rèn)的是，由于六旋翼無(wú)人機(jī)共軸雙槳的電機(jī)配置造成了一定效率上的損失，但是，由于其它方面的優(yōu)越性，本論文著重開(kāi)展了對(duì)六旋翼無(wú)人機(jī)的研究工作。 此外，國(guó)外學(xué)者通過(guò)結(jié)合視覺(jué)識(shí)別與慣導(dǎo)信息，獲取了更好地控制效果。具體章節(jié)內(nèi)容安排如下： 第二章完成了對(duì)于六旋翼無(wú)人機(jī)的模型建立，通過(guò)分析六旋翼無(wú)人機(jī)在飛行狀態(tài)下所受到的力與力矩，運(yùn)用牛頓歐拉方程建立了六旋翼無(wú)人機(jī)的力學(xué)模型，并建6 哈爾濱工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 立了控制系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方程。 第四章主要建立了六旋翼無(wú)人機(jī)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(duì)姿態(tài)傳 感器進(jìn)行機(jī)械 防震與數(shù)字濾波的方法，提出了一種新穎的氣壓計(jì)、超聲波傳感器和加速度計(jì)的融合方法，通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了濾 波效果，提 出了一種優(yōu)化的 拉力分配方法使 得系統(tǒng)的可靠性 得到增強(qiáng)。 7 第2章哈爾濱工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 六旋翼無(wú)人機(jī)數(shù)學(xué)模型的建立 本章完成了對(duì)于六旋翼無(wú)人機(jī)的模型建立，通過(guò)分析六旋翼無(wú)人機(jī)在飛行狀態(tài)下受到的力與力矩，運(yùn)用牛頓歐拉方程建立了六旋翼無(wú)人機(jī)的力學(xué)模型，并建立了控制系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方程。 坐標(biāo)系定義 首先，對(duì)坐標(biāo)系，俯仰角、橫滾角、偏航角進(jìn)行定義。而大地坐標(biāo)系采用西北天坐標(biāo)系。 四種基本運(yùn)動(dòng) （1）上升下降：同時(shí)增加六個(gè)旋翼的轉(zhuǎn)速或 者同時(shí)減小六個(gè)旋翼的轉(zhuǎn)速可以增加或者減小旋翼所產(chǎn)生的總拉力，因此，在重力不變的前提下，可以實(shí)現(xiàn)六旋翼無(wú)人機(jī)在垂直方向上的上升與下降。這會(huì)導(dǎo)致旋翼所產(chǎn)生的總拉力在前進(jìn)方向上有一個(gè)正的分力，該分力會(huì)拉動(dòng)機(jī)體向前飛行。這會(huì)導(dǎo)致旋翼所產(chǎn)生的總拉力在前進(jìn)方向上有一個(gè)負(fù)的分力，該分力會(huì)拉動(dòng)機(jī)體向后飛行。這會(huì)導(dǎo)致旋翼所產(chǎn)生的總拉力在 y 軸上有一個(gè)負(fù)分量，該分力拉動(dòng)機(jī)體向右飛行。這會(huì)導(dǎo)致旋翼所產(chǎn)生的總拉力在 y 軸上有 一個(gè)正分量，該分力拉動(dòng)機(jī)體向左飛行。在該六旋翼無(wú)人機(jī)的設(shè)計(jì)中，規(guī)定 5 號(hào)旋翼順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，6號(hào)旋翼逆時(shí)針旋 轉(zhuǎn)。同理，由于 6 號(hào)旋翼逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，則機(jī)體受到 6 號(hào)旋翼順時(shí)針?lè)较虻牧亍?增加 5 號(hào)旋翼的轉(zhuǎn)速，減小 6 號(hào)旋翼的轉(zhuǎn)速，將會(huì)在 z 軸上產(chǎn)生一個(gè)正力矩，這會(huì)導(dǎo)致機(jī)體產(chǎn)生一個(gè) z 軸上正的角加速度，進(jìn)一步使得機(jī)體在 z 軸上