四旋翼飛行器設(shè)計(jì)資料-畢業(yè)論文

1、<p>　　四旋翼飛行器的設(shè)計(jì) </p><p><b>　　查重98%</b></p><p>　　四旋翼微型飛行器是一種以4個(gè)電機(jī)作為動(dòng)力裝置.通過(guò)調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速來(lái)控制飛行的欠驅(qū)動(dòng)系統(tǒng);為了實(shí)現(xiàn)四旋翼微型飛行器的自主飛行控制,對(duì)飛行控制系統(tǒng)進(jìn)行了初步設(shè)計(jì),并且以C8051F020單片機(jī)為計(jì)算控制單元,給出了飛行控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì),研究了設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵技術(shù);由

2、于采用貼片封裝和低功耗的元器件,使飛行器具有重量輕、體積小、功耗低的優(yōu)點(diǎn);經(jīng)過(guò)多次室內(nèi)試驗(yàn),該硬件設(shè)計(jì)性能可靠,能滿足飛行器起飛、懸停、降落等飛行模態(tài)的控制要求.</p><p>　　一． 微小型四旋翼飛行器的發(fā)展前景 </p><p>　　根據(jù)微小型四旋翼飛行器發(fā)展現(xiàn)狀和相關(guān)高新技術(shù)發(fā)展趨勢(shì) ， 預(yù)計(jì)它將有以下發(fā)展前景。 </p><p>　　1 )隨著相關(guān)研究

3、進(jìn)一步深入 ，預(yù)計(jì)在不久的將 來(lái)小型四旋翼飛行器技術(shù)會(huì)逐步走 向成熟與實(shí)用 。任務(wù)規(guī)劃、飛行控制、無(wú) G P S導(dǎo)航、 視覺(jué)和通信等子 系統(tǒng)將進(jìn)一步健全和完善，使其具有自主起降和全 天候抗干擾穩(wěn)定飛行能力 。它未來(lái) 的主要技術(shù) 指 標(biāo)： 任務(wù)半徑 5 k m，飛行高度 1 0 0 m，續(xù)航時(shí)間 1 h ，有效載荷約 5 0 0 g ， 完全能夠填補(bǔ)目前國(guó)際上在該范 圍內(nèi)偵察手段的空白。 </p><p>　　

4、2 )未來(lái)的微型四旋翼飛行器將完全能夠達(dá)到美國(guó)國(guó)防預(yù)研局對(duì) M A V基本技術(shù)指標(biāo)的要 求。 隨著低雷諾數(shù)空氣 動(dòng)力學(xué)研究 的深入 ， 以及納米和 M E MS 技術(shù)的發(fā)展 ，四旋翼 M A V必然取得理論和工 程上的突破。它將是一種有 4個(gè)旋翼的可飛行傳感 器芯片， 是一個(gè)集成多個(gè)子系統(tǒng) ( 導(dǎo)航與控制、 動(dòng)力 與能源、 任務(wù)與通信等子系統(tǒng)) 的高度復(fù)雜ME M S系 統(tǒng)；不但能夠在空中懸停和向任意方向機(jī)動(dòng)飛行， 還 </p&g

5、t;<p>　　能飛臨、繞過(guò)甚至是穿過(guò) 目標(biāo)物體。此外 ，它還將擁有良好的隱身功能和信息傳輸能力。 </p><p>　　3 )微小型四旋翼飛行器的編隊(duì)飛行與作戰(zhàn)應(yīng) </p><p>　　在未來(lái)的戰(zhàn)爭(zhēng)中，微小型四旋翼飛行器 的任 務(wù)之一將是對(duì)敵方進(jìn)行電子干擾并攻擊其核心目標(biāo)。單個(gè)微小型飛行器的有 效載荷量畢竟有限，難以有效地完成任務(wù)，而編 隊(duì)飛行 與作 戰(zhàn)不僅可以極 大地提

6、高有效載荷量，還能夠增強(qiáng)其突防能力。 </p><p>　　二．四旋翼飛行器的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀</p><p>　　目前世界上存在的四旋翼飛行器基本上都屬于微小型無(wú)人飛行器，一般可分為3類：遙控航模四旋翼飛行器、小型四旋翼飛行器以及微型四旋翼飛行器。</p><p>　　(1)遙控航模四旋翼飛行器</p><p>　　遙控航模四旋翼飛行器的典

7、型代表是美國(guó)Dfaganflyer公司研制的Dragan．flyer III和香港銀輝(silverlit)玩具制品有限公司研制的X．UFO。Draganflyer III是一款世界著名的遙控航模四旋翼飛行器，主要用于航拍。機(jī)體最大長(zhǎng)度(翼尖到翼尖)76．2cm，高18cm，重481．19：旋翼直徑28cm，重69；有效載荷113．29；可持續(xù)飛行16--20min。Draganflyer III采用了碳纖維和高性能塑料作為機(jī)體材料，其

8、機(jī)載電子設(shè)備可以控1書(shū)1]4個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)速。另外，還使用了3個(gè)壓電晶體陀螺儀進(jìn)行姿態(tài)增穩(wěn)控制【5J。X．UFO機(jī)體最大長(zhǎng)度68．5cm，高14cm；持續(xù)飛行時(shí)間約5min；遙控距離可達(dá)100m。X．UFO的旋翼被置于發(fā)泡聚丙烯(EPp),tJ成的圓環(huán)中，比Draganflyer III有更好的安全性[471。(2)小型四旋翼飛行器</p><p>　　世界上對(duì)小型四旋翼飛行器的研究主要集中在3個(gè)方面：基于慣導(dǎo)的自主

9、飛行控制、基于視覺(jué)的自主飛行控制和自主飛行器系統(tǒng)方案，其典型代表分別是：瑞士洛桑聯(lián)邦科技學(xué)院的OS4、賓夕法尼亞大學(xué)的HMX4和佐治亞理工大學(xué)的GTMRAS</p><p>　　OS4是EPFL自動(dòng)化系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)發(fā)的一種電動(dòng)小型四旋翼飛行器，研究的重點(diǎn)是機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)方法和自主飛行控制算法，目標(biāo)是要實(shí)現(xiàn)室內(nèi)和室外環(huán)境中的完全自主飛行。目前，該項(xiàng)目已經(jīng)進(jìn)行了兩個(gè)階段。OS4 I最大長(zhǎng)度約73cm，質(zhì)量為2359g；它使用

10、TDraganflyer III的旋翼和十字框架，4個(gè)Faulhaber 1724電機(jī)，以及一個(gè)Xsense的MT9．B微慣性測(cè)量單元。研究人員通過(guò)萬(wàn)向節(jié)將它固定于飛行測(cè)試平臺(tái)之上，使其只具有3個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度；能源供給、數(shù)據(jù)處理、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊以及飛行控制單元都由飛行器外部提供；至2004年，已經(jīng)分別基于多種控制算法(例如：PID、LQ、Backstepping、Sliding—mode)，實(shí)現(xiàn)了飛行器姿態(tài)控制【6’7】。OS4II的機(jī)身最

11、大長(zhǎng)度72cm，重5209；機(jī)載2309的鋰電池，能提供自主飛行</p><p>　　30min的能量。它與OS4 I的區(qū)別主要有：使用了槳葉面積更大的新旋翼；使用了更輕、功率更大的LRK無(wú)刷電機(jī)BLDC；使用皮帶減速裝置代替了電機(jī)減速箱；控制器、傳感器、電池和電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊等都直接安裝在機(jī)體上，不再由機(jī)體外部提供。2006年1月EPFL已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了OS4 II在室內(nèi)環(huán)境中基于慣導(dǎo)的自主懸?？刂啤MX4在機(jī)構(gòu)上與D

12、raganflyer III相似，最大長(zhǎng)度76cm，重約7009，機(jī)體底部有5個(gè)彩色標(biāo)記。地面攝像頭跟蹤并測(cè)量標(biāo)記的位置與面積，從而計(jì)算獲得飛行器的3個(gè)姿態(tài)角(角速率則由3軸陀螺儀測(cè)量獲得，主要用于飛行器姿態(tài)增穩(wěn)控制)和位置。研究人員將整個(gè)系統(tǒng)安裝在一個(gè)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上(該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)只對(duì)飛行器在水平面內(nèi)的運(yùn)動(dòng)范圍進(jìn)行了限制)，實(shí)現(xiàn)了自主懸?？刂疲褂玫目刂扑惴ㄊ荁acksteppingl81。最近，HMX4研究人員又開(kāi)發(fā)了一套基于機(jī)載和地面雙攝

13、像頭的視覺(jué)定位與定姿系統(tǒng)，進(jìn)一步提高了測(cè)量的精度。這種基于視覺(jué)的飛行控制方法可以很好地應(yīng)用于一些特殊的任務(wù)，比如：在固定平臺(tái)自主起飛與降落，與地面可移動(dòng)機(jī)器人協(xié)同等。GTMARS是佐治亞理工大學(xué)面向火星探測(cè)任務(wù)而設(shè)計(jì)的CAD無(wú)人機(jī)</p><p>　　(3)微型四旋翼飛行器</p><p>　　微型飛行器(㈣從一開(kāi)始就引起了人們極大的興趣，斯坦福大學(xué)的 Mesicopter是目前世界最著名

14、、最重要的MAV之～。Mesicopter是斯坦福大學(xué)的研究小組在NASA支持下，為研究微型旋翼飛行器技術(shù)而設(shè)計(jì)的。機(jī)身為16mm×16mm方形框架；旋翼直徑1．5cm，厚度0．08mm；電機(jī)直徑3ram，重量325mg。目前已經(jīng)完成了試驗(yàn)樣機(jī)在一竿臂上的離地起飛，進(jìn)一步的工作仍在繼續(xù)，最終目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)自主飛行和多飛行器協(xié)同完成具體任務(wù)</p><p>　　三．課題研究的科學(xué)意義與發(fā)展前景</p&g

15、t;<p>　　飛行控制問(wèn)題是微小型四旋翼無(wú)人直升機(jī)研制的關(guān)鍵問(wèn)題，主要有兩方面的困難。首先，對(duì)其進(jìn)行精確建模非常困難。飛行過(guò)程中，它不但同時(shí)受到多種物理效應(yīng)的作用，比如：空氣動(dòng)力、重力和陀螺效應(yīng)等，還很容易受到氣流等外部環(huán)境的干擾。因此，很難獲得準(zhǔn)確的氣動(dòng)性能參數(shù)，難以建立有效、準(zhǔn)確的動(dòng)力學(xué)模型。因?yàn)樗膹?fù)雜性，在忽略彈性振動(dòng)及變形的情況下，工程中所使用的直升機(jī)模型都是經(jīng)過(guò)不同程度簡(jiǎn)化處理的，導(dǎo)致模型建立不精確。其次，微

16、小型四旋翼無(wú)人直升機(jī)是一個(gè)具有六個(gè)自由度，而只有四個(gè)控制輸入的欠驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)(Underactuated System)。它具有多變量、非線性、強(qiáng)耦合和干擾敏感的特性，使得姿態(tài)控制器的設(shè)計(jì)變得非常困難。</p><p>　　根據(jù)微小型四旋翼飛行器發(fā)展現(xiàn)狀和相關(guān)高新技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)，預(yù)計(jì)它將有以</p><p><b>　　下發(fā)展前景。</b></p><p

17、>　　(1)隨著相關(guān)研究進(jìn)一步深入，預(yù)計(jì)在不久的將來(lái)小型四旋翼飛行器技術(shù)會(huì)逐步走向成熟與實(shí)用。任務(wù)規(guī)劃、飛行控制、無(wú)GPS導(dǎo)航、視覺(jué)和通信等子系統(tǒng)將進(jìn)一步健全和完善，使其具有自主起降和全天候抗干擾穩(wěn)定飛行能力。它未來(lái)的主要技術(shù)指標(biāo)：任務(wù)半徑5km，飛行高度100m，續(xù)航時(shí)間lh，有效載荷約5009，完全能夠填補(bǔ)目前國(guó)際上在該范圍內(nèi)偵察手段的空白。</p><p>　　(2)未來(lái)的微型四旋翼飛行器將完全能夠達(dá)

18、到美國(guó)國(guó)防預(yù)研局對(duì)MAV基本技術(shù)指標(biāo)【10l的要求。隨著低雷諾數(shù)空氣動(dòng)力學(xué)研究的深入，以及納米和MEMS技術(shù)的發(fā)展，四旋翼MAV必然取得理論和工程上的突破。它將是一種有4個(gè)旋翼的可飛行傳感器芯片，是一個(gè)集成多個(gè)子系統(tǒng)(導(dǎo)航與控制、動(dòng)力與能源、任務(wù)與通信等子系統(tǒng))的高度復(fù)雜MEMS系統(tǒng)；不但能夠在空中懸停和向任意方向機(jī)動(dòng)飛行，還能飛臨、繞過(guò)甚至是穿過(guò)目標(biāo)物體。此外，它還將擁有良好的隱身功</p><p><b

19、>　　能和信息傳輸能力。</b></p><p>　　(3)微小型四旋翼飛行器的編隊(duì)飛行與作戰(zhàn)應(yīng)用【14】。在未來(lái)的戰(zhàn)爭(zhēng)中，微小型四旋翼飛行器的任務(wù)之一將是對(duì)敵方進(jìn)行電子干擾并攻擊其核心目標(biāo)。單個(gè)微小型飛行器的有效載荷量畢竟有限，難以有效地完成任務(wù)，而編隊(duì)飛行與作戰(zhàn)不僅可以極大地提高有效載荷量，還能夠增強(qiáng)其突防能力。</p><p>　　總之，微小型四旋翼無(wú)人直升機(jī)飛行控

20、制技術(shù)的研究，從理論和工程的角</p><p><b>　　度都具有重要意義。</b></p><p>　　四．微小型四旋翼飛行器發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù) </p><p>　　迄今為止 ， 微小型 四旋翼 飛行 器基礎(chǔ)理論與實(shí) </p><p>　　驗(yàn)研究 已取得較大進(jìn)展 ， 但要真正走 向成熟與實(shí)用 ， </p>

21、<p>　　還面臨著諸多關(guān)鍵技術(shù)的挑戰(zhàn)。 </p><p>　　1 最優(yōu)化總體設(shè)計(jì) </p><p>　　進(jìn)行微小型四旋翼飛行器總體設(shè)計(jì)時(shí)，需要遵循以下原則： 重量輕、 尺寸小、速度快、能耗和成本低。但這幾項(xiàng)原則相互之間存在著制約與矛盾， 例如：飛行器 重量相同時(shí)，其尺寸與速度、 能耗成反比 。因此， 進(jìn) 行微小型四旋翼飛行器總體設(shè)計(jì)時(shí)， 首先要根據(jù)性能 和價(jià)格選擇合適的機(jī)

22、構(gòu)材料，盡可能地減輕飛行器重量；其次，需要綜合考慮重量、尺寸、飛行速度和能耗等 因素，確保實(shí)現(xiàn)總體設(shè)計(jì)的最優(yōu)化。 </p><p><b>　　2 動(dòng)力與能源 </b></p><p>　　動(dòng)力裝置包括 ：旋翼、微型直流電機(jī) 、減速箱、光電碼盤(pán)和電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，能量由機(jī)載電池提供。微小型四旋翼飛行器的重量是影響其尺寸的主要因素，而動(dòng)力與能源裝置的重量在整個(gè)機(jī)體重量中占

23、 了很大比例。對(duì)于 0 S 4 I I ，該比例就高達(dá) 7 5 ％ 。 </p><p>　　因此，研制更輕、更高效的動(dòng)力與能源裝置是進(jìn)一步微小型化四旋翼飛行器的關(guān)鍵。 </p><p>　　另一方面，動(dòng)力裝置產(chǎn)生升力時(shí)，消耗了絕大部分機(jī)載能量。例如， 0 S 4 I I 的電能有 9 1 ％被動(dòng)力裝置消耗。要提高飛行器的效率，關(guān)鍵在于提高動(dòng)力裝置的效率。除盡量提高機(jī)械傳動(dòng)效率外，還

24、必須選擇合適的電機(jī)與減速比在兼顧最大效率和最大輸出功率兩項(xiàng)指標(biāo)的前提下將電機(jī)工作點(diǎn)配置在推薦運(yùn)行區(qū)域內(nèi)。</p><p>　　3 數(shù)學(xué)模型的建立 </p><p>　　為實(shí)現(xiàn)對(duì)微小型四旋翼飛行器的有效控制，必須準(zhǔn)確建立其在各種飛行狀態(tài)下的數(shù)學(xué)模型。但是飛行過(guò)程中，它不僅同時(shí)受到多種物理效應(yīng) 的作用 ( 空氣動(dòng)力、 重力 、 陀螺效應(yīng) 和旋翼慣量矩等 ) ， 還很 容易受到氣流等外部環(huán)境的干

25、擾 。因此，很難建立有效、 可靠的動(dòng)力學(xué)模型。此外，所使用的旋翼尺 寸小、質(zhì)量輕 、易變形 ， 很難獲得準(zhǔn)確的氣動(dòng)性能參 數(shù)，也將直接影響模型的準(zhǔn)確性。 建立四旋翼 M A V數(shù)學(xué)模型時(shí)，還必須深入研究和解決低雷諾數(shù)條件下旋翼空氣動(dòng)力學(xué)問(wèn)題。微型飛行器空氣動(dòng)力學(xué)特性與常規(guī)飛行器有很大的不 同，當(dāng)前許多空氣動(dòng)力學(xué)理論和分析工具均不適用，需要發(fā)展新的理論和研究手段- - 。 </p><p><b>　

26、　4 飛行控制 </b></p><p>　　微小型四旋翼飛行器是一個(gè)具有六自由度( 位 置與姿態(tài) ) 和 4個(gè)控制輸入( 旋翼轉(zhuǎn)速) 的欠驅(qū)動(dòng)系 統(tǒng)( U n d e r a c t u a t e d S y s t e m) u ， 具有多變量、非線性 、強(qiáng) 耦合和干擾敏感的特性， 使得飛行控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 變得非常困難 。此外 ，控制器性能還將受到模型準(zhǔn) 確性和傳感器精度的影響。 姿態(tài)控制

27、是整個(gè)飛行控制的關(guān)鍵，因?yàn)槲⑿⌒?</p><p>　　四旋翼飛行器的姿態(tài)與位置存在直接耦合關(guān)系( 俯 仰／ 橫滾直接引起機(jī)體向前后／ 左右移動(dòng)) ， 如果能精 確控制飛行器姿態(tài) ， 則采用 P I D控制律就足以實(shí)現(xiàn) 其位置與速度控制。國(guó)際相關(guān)研究都著重進(jìn)行了姿 態(tài)控制器的設(shè)計(jì)與驗(yàn)證， 結(jié)果表明： 盡管采用非線性 控制律能夠獲得很好的仿真效果 ， 但由于對(duì)模型準(zhǔn)確性有很強(qiáng)的依賴， 其實(shí)際控制效果反而不如 P I

28、 D 。因此 ， 研制既能精確控制飛行器姿態(tài)， 又具 有較強(qiáng)抗干擾和環(huán)境 自適應(yīng)能力的姿態(tài)控制器是微小型四旋翼飛行器飛行控制系統(tǒng)研究的當(dāng)務(wù)之急。</p><p>　　五．四旋翼飛行器的結(jié)構(gòu)形式和工作原理：</p><p><b>　　1.結(jié)構(gòu)形式</b></p><p>　　直升機(jī)在巧妙使用總距控制和周期變距控制之前，四旋翼結(jié)構(gòu)被認(rèn)為是一種最簡(jiǎn)

29、單和最直觀的穩(wěn)定控制形式。但由于這種形式必須同時(shí)協(xié)調(diào)控制四個(gè)旋翼的狀態(tài)參數(shù)，這對(duì)駕駛員認(rèn)為操縱來(lái)說(shuō)是一件非常困難的事，所以該方案始終沒(méi)有真正在大型直升機(jī)設(shè)計(jì)中被采用。這里四旋翼飛行器重新考慮采用這種結(jié)構(gòu)形式，主要是因?yàn)榭偩嗫刂坪椭芷谧兙嗫刂齐m然設(shè)計(jì)精巧，控制靈活，但其復(fù)雜的機(jī)械結(jié)構(gòu)卻使它無(wú)法再小型四旋翼飛行器設(shè)計(jì)中應(yīng)用。另外，四旋翼飛行器的旋翼效率相對(duì)很低，從單個(gè)旋翼上增加拉力的空間是非常有限的，所以采用多旋翼結(jié)構(gòu)形式無(wú)疑是一種提高四旋

30、翼飛行器負(fù)載能力的最有效手段之一。至于四旋翼結(jié)構(gòu)存在控制量較多的問(wèn)題，則有望通過(guò)設(shè)計(jì)自動(dòng)飛行控制系統(tǒng)來(lái)解決。四旋翼飛行器采用四個(gè)旋翼作為飛行的直接動(dòng)力源，旋翼對(duì)稱分布在機(jī)體的前后、左右四個(gè)方向，四個(gè)旋翼處于同一高度平面，且四個(gè)旋翼的結(jié)構(gòu)和半徑都相同，旋翼1和旋翼3 逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，旋翼2和旋翼4 順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，四個(gè)電機(jī)對(duì)稱的安裝在飛行器的支架端，支架中間空間安放飛行控制計(jì)算機(jī)和外部設(shè)備。四旋翼飛行器的結(jié)構(gòu)形式如圖1.1所示。</p>

31、;<p>　　四旋翼飛行器的結(jié)構(gòu)圖（2）</p><p><b>　　2.工作原理</b></p><p>　　典型的傳統(tǒng)直升機(jī)配備有一個(gè)主轉(zhuǎn)子和一個(gè)尾槳。他們是通過(guò)控制舵機(jī)來(lái)改變螺旋槳的槳距角，從而控制直升機(jī)的姿態(tài)和位置。四旋翼飛行器與此不同，是通過(guò)調(diào)節(jié)四個(gè)電機(jī)轉(zhuǎn)速來(lái)改變旋翼轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)升力的變化，從而控制飛行器的姿態(tài)和位置。由于飛行器是通過(guò)改變旋翼轉(zhuǎn)速

32、實(shí)現(xiàn)升力變化，這樣會(huì)導(dǎo)致其動(dòng)力部穩(wěn)定，所以需要一種能夠長(zhǎng)期保穩(wěn)定的控制方法。四旋翼飛行器是一種六自由度的垂直升降機(jī)，因此非常適合靜態(tài)和準(zhǔn)靜態(tài)條件下飛行。但是四旋翼飛行器只有四個(gè)輸入力，同時(shí)卻有六個(gè)狀態(tài)輸出，所以它又是一種欠驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。</p><p>　　四旋翼飛行器結(jié)構(gòu)形式如圖所示，電機(jī)1和電機(jī)3逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)的同時(shí)，電機(jī)2和電機(jī)4順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，因此當(dāng)飛行器平衡飛行時(shí)，陀螺效應(yīng)和空氣動(dòng)力扭矩效應(yīng)均被抵消。與傳統(tǒng)的直升機(jī)

33、相比，四旋翼飛行器有下列優(yōu)勢(shì)：各個(gè)旋翼對(duì)機(jī)身所施加的反扭矩與旋翼的旋轉(zhuǎn)方向相反，因此當(dāng)電機(jī)1和電機(jī)3 逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)的同時(shí)，電機(jī)2和電機(jī)4順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，可以平衡旋翼對(duì)機(jī)身的反扭矩。</p><p>　　四旋翼飛行器在空間共有6個(gè)自由度（分別沿3個(gè)坐標(biāo)軸作平移和旋轉(zhuǎn)動(dòng)作），這6個(gè)自由度的控制都可以通過(guò)調(diào)節(jié)不同電機(jī)的轉(zhuǎn)速來(lái)實(shí)現(xiàn)。基本運(yùn)動(dòng)狀態(tài)分別是：（1）垂直運(yùn)動(dòng)；（2）俯仰運(yùn)動(dòng)；（3）滾轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)；（4）偏航運(yùn)動(dòng)；（5）前后運(yùn)

34、動(dòng)；（6）側(cè)向運(yùn)動(dòng)。在圖3.2 中，電機(jī)1和電機(jī)3作逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，電機(jī)2和電機(jī)4 作順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，規(guī)定沿x軸正方向運(yùn)動(dòng)稱為向前運(yùn)動(dòng)，箭頭在旋翼的運(yùn)動(dòng)平面上方表示此電機(jī)轉(zhuǎn)速提高，在下方表示此電機(jī)轉(zhuǎn)速下降。</p><p>　?。?）垂直運(yùn)動(dòng)：垂直運(yùn)動(dòng)相對(duì)來(lái)說(shuō)比較容易。在圖中，因有兩對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)向相反，可以平衡其對(duì)機(jī)身的反扭矩，當(dāng)同時(shí)增加四個(gè)電機(jī)的輸出功率，旋翼轉(zhuǎn)速增加使得總的拉力增大，當(dāng)總拉力足以克服整機(jī)的重量時(shí)，四旋翼飛

35、行器便離地垂直上升；反之，同時(shí)減小四個(gè)電機(jī)的輸出功率，四旋翼飛行器則垂直下降，直至平衡落地，實(shí)現(xiàn)了沿z軸的垂直運(yùn)動(dòng)。當(dāng)外界擾動(dòng)量為零時(shí)，在旋翼產(chǎn)生的升力等于飛行器的自重時(shí)，飛行器便保持懸停狀態(tài)。保證四個(gè)旋翼轉(zhuǎn)速同步增加或減小是垂直運(yùn)動(dòng)的關(guān)鍵。</p><p>　?。?）俯仰運(yùn)動(dòng)：電機(jī)1 的轉(zhuǎn)速上升，電機(jī)3 的轉(zhuǎn)速下降，電機(jī)2、電機(jī)4 的轉(zhuǎn)速保持不變。因?yàn)樾磙D(zhuǎn)速的改變引起四旋翼飛行器整體扭矩及總拉力</p&

36、gt;<p>　　改變，旋翼1與旋翼3轉(zhuǎn)速該變量的大小應(yīng)相等。由于旋翼1 的升力上升，旋翼3 的升力下降，產(chǎn)生的不平衡力矩使機(jī)身繞y 軸旋轉(zhuǎn)（方向如圖所示），同理，當(dāng)電機(jī)1 的轉(zhuǎn)速下降，電機(jī)3 的轉(zhuǎn)速上升，機(jī)身便繞y軸向另一個(gè)方向旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)飛行器的俯仰運(yùn)動(dòng)。</p><p>　?。?）滾轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)：改變電機(jī)2和電機(jī)4 的轉(zhuǎn)速，保持電機(jī)1和電機(jī)3 的轉(zhuǎn)速不變，則可使機(jī)身繞x 軸旋轉(zhuǎn)（正向和反向），實(shí)現(xiàn)飛行

37、器的滾轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。</p><p>　　（4）偏航運(yùn)動(dòng)：四旋翼飛行器偏航運(yùn)動(dòng)可以借助旋翼產(chǎn)生的反扭矩來(lái)實(shí)現(xiàn)。旋翼轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中由于空氣阻力作用會(huì)形成與轉(zhuǎn)動(dòng)方向相反的反扭矩，為了克服反扭矩影響，可使四個(gè)旋翼中的兩個(gè)正轉(zhuǎn)，兩個(gè)反轉(zhuǎn)，且對(duì)角線上的來(lái)年各個(gè)旋翼轉(zhuǎn)動(dòng)方向相同。反扭矩的大小與旋翼轉(zhuǎn)速有關(guān)，當(dāng)四個(gè)電機(jī)轉(zhuǎn)速相同時(shí)，四個(gè)旋翼產(chǎn)生的反扭矩相互平衡，四旋翼飛行器不發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)；當(dāng)四個(gè)電機(jī)轉(zhuǎn)速不完全相同時(shí)，不平衡的反扭矩會(huì)引起四旋翼

38、飛行器轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)電機(jī)1和電機(jī)3 的轉(zhuǎn)速上升，電機(jī)2 和電機(jī)4 的轉(zhuǎn)速下降時(shí)，旋翼1和旋翼3對(duì)機(jī)身的反扭矩大于旋翼2和旋翼4 對(duì)機(jī)身的反扭矩，機(jī)身便在富余反扭矩的作用下繞z軸轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)飛行器的偏航運(yùn)動(dòng)，轉(zhuǎn)向與電機(jī)1、電機(jī)3 的轉(zhuǎn)向相反。</p><p>　?。?）前后運(yùn)動(dòng)：要想實(shí)現(xiàn)飛行器在水平面內(nèi)前后、左右的運(yùn)動(dòng)，必須在水平面內(nèi)對(duì)飛行器施加一定的力。增加電機(jī)3轉(zhuǎn)速，使拉力增大，相應(yīng)減小電機(jī)1轉(zhuǎn)速，使拉力減小，同時(shí)保持

39、其它兩個(gè)電機(jī)轉(zhuǎn)速不變，反扭矩仍然要保持平衡。飛行器首先發(fā)生一定程度的傾斜，從而使旋翼拉力產(chǎn)生水平分量，因此可以實(shí)現(xiàn)飛行器的前飛運(yùn)動(dòng)。向后飛行與向前飛行正好相反。飛行器在產(chǎn)生俯仰、翻滾運(yùn)動(dòng)的同時(shí)也會(huì)產(chǎn)生沿x、y軸的水平運(yùn)動(dòng)。</p><p>　?。?）傾向運(yùn)動(dòng)：由于結(jié)構(gòu)對(duì)稱，所以傾向飛行的工作原理與前后運(yùn)動(dòng)完全一樣。</p><p><b>　　六．系統(tǒng)設(shè)計(jì)</b>&l

40、t;/p><p>　　典型的傳統(tǒng)直升機(jī)配備有一個(gè)主轉(zhuǎn)子和一個(gè)尾漿。但也存在其他類型的直升機(jī)，如雙轉(zhuǎn)軸或串列式直升機(jī)，同軸直升機(jī)等。他們是通過(guò)控制舵機(jī)來(lái)改變螺旋槳的槳距角，從而控制直升機(jī)的姿態(tài)和位置。而四旋翼微型飛行器與此不同，是通過(guò)調(diào)節(jié)4個(gè)電機(jī)轉(zhuǎn)速來(lái)改變螺旋槳速度，實(shí)現(xiàn)升力的變化，從而控制飛行器的姿態(tài)和位置。四旋翼微型飛行器沒(méi)有自動(dòng)傾斜器。信號(hào)其整機(jī)升力由4個(gè)電機(jī)提供。由于飛行器是通過(guò)改變螺旋槳速度實(shí)現(xiàn)升力變化，這樣

41、會(huì)導(dǎo)致其動(dòng)力不穩(wěn)定，所以需要一種能20具夠確保長(zhǎng)期穩(wěn)定的控制方法。四旋翼微型飛行器是一種六自由度的垂直起降機(jī)，因此非常適合靜態(tài)和準(zhǔn)靜態(tài)條件下飛行；但是，四旋翼直升機(jī)只有4個(gè)輸入力，同時(shí)卻有6個(gè)輸出，所以它又是一種欠驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。圖l為四旋翼微型飛行器的結(jié)構(gòu)俯視圖。與傳統(tǒng)直升機(jī)相比，該飛行器有下列優(yōu)勢(shì)：側(cè)面電機(jī)1、3順時(shí)針旋轉(zhuǎn)的同時(shí)，前后電機(jī)2、4逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)。因此當(dāng)飛行器平衡飛行時(shí)，陀螺效應(yīng)和空氣動(dòng)力扭矩效應(yīng)均被抵消。</p>

42、<p>　　七．飛行控制器的主要功能如下：</p><p>　　1)提供多個(gè)通佰信道，使飛行器與陀螺儀、磁航向計(jì)、高度計(jì)、導(dǎo)航系統(tǒng)、地面測(cè)控系統(tǒng)通信；</p><p>　　2)提供足夠的存儲(chǔ)空間，以滿足復(fù)雜控制軟件的實(shí)現(xiàn)；</p><p>　　3)檢測(cè)飛行器的狀態(tài)量，包括高度、速度、航向、姿態(tài)等；</p><p>　　4)通過(guò)RS2

43、32串行接口與地面測(cè)控系統(tǒng)通訊，一方面獲取地面的控制信號(hào)．另一方面將飛行器的狀態(tài)信息回傳給地面；</p><p>　　5)飛行器能工作在手動(dòng)／自主的切換模式。</p><p>　　由于四旋翼微型飛行器體積小、重量輕，在飛行中易受外界環(huán)境干擾發(fā)生飛行事故，在設(shè)計(jì)中通過(guò)地面測(cè)控系統(tǒng)，使飛行控制模式能在手動(dòng)／自主方式自由切換。在手動(dòng)模式時(shí)，飛行器完全由操縱者人工控制；在自主模式時(shí)，飛行器按照給定

44、任務(wù)自動(dòng)控制電機(jī)完成。圖2為四旋翼微型飛行器的總體設(shè)計(jì)。</p><p><b>　　八．總結(jié)與展望 .</b></p><p>　　微小型四旋翼無(wú)人直升機(jī)在軍事、民用方面都有十分廣闊的應(yīng)用前景，其建模與非線性控制涉及多學(xué)科、多領(lǐng)域內(nèi)容。目前，國(guó)際上在這方面的研究正處于發(fā)展階段，國(guó)內(nèi)則 還處于初級(jí)階段。本文從微小型四旋翼無(wú)人直升機(jī)數(shù)學(xué)模型的建立開(kāi)始，設(shè)計(jì)了兩種飛行 控

45、制算法，并利用 SR-UKF 進(jìn)行了狀態(tài)估計(jì)，研究結(jié)果對(duì)微小型四旋翼無(wú)人直升機(jī)的進(jìn)一 步研制具有重要理論和實(shí)際意義?？v觀全文，本課題主要完成了以下幾方面的工作： </p><p>　　1、綜述了微小型四旋翼無(wú)人直升機(jī)的研究現(xiàn)狀及相關(guān)技術(shù)，論述了開(kāi)展這方面研究的重要意義。 </p><p>　　2、建立了微小型四旋翼無(wú)人直升機(jī)的數(shù)學(xué)模型。針對(duì)自行研制的微小型四旋翼無(wú)人 直升機(jī)原型樣機(jī)，對(duì)其旋

46、翼空氣動(dòng)力學(xué)、動(dòng)力系統(tǒng)和剛體動(dòng)力學(xué)進(jìn)行數(shù)學(xué)建模，推導(dǎo)出了 全狀態(tài)非線性系統(tǒng)方程，并將之變換為仿射非線性形式。 </p><p>　　3、針對(duì)微小型四旋翼無(wú)人直升機(jī)的欠驅(qū)動(dòng)特性，設(shè)計(jì)了基于Backstepping 的飛行控制算法。仿真實(shí)驗(yàn)表明該方法能夠?qū)崿F(xiàn)微小型四旋翼無(wú)人直升機(jī)定點(diǎn)懸停和軌跡跟蹤飛行控制，并具有一定魯棒性。 </p><p>　　4、應(yīng)用“誤差-誤差”原理，針對(duì)微小型四旋翼無(wú)

47、人直升機(jī)的直接驅(qū)動(dòng)狀態(tài)，設(shè)計(jì)了 ADRC 控制器，并利用 PD-ADRC 雙閉環(huán)控制器消除了欠驅(qū)動(dòng)狀態(tài)引起的零動(dòng)態(tài)。仿真結(jié) 果表明該方法能夠?qū)崿F(xiàn)微小型四旋翼無(wú)人直升機(jī)懸?？刂?，并具有一定魯棒性。 </p><p>　　5、采用 SR-UKF濾波方法，結(jié)合微小型四旋翼無(wú)人直升機(jī)的離散狀態(tài)方程和量測(cè)方 程，實(shí)現(xiàn)了對(duì)控制器所需狀態(tài)變量的估計(jì)，并通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該方法的有效性。 </p><p>

48、;　　本文僅對(duì)微小型四旋翼無(wú)人直升機(jī)的建模與非線性控制進(jìn)行了初步研究，還有許多問(wèn) 題有待于進(jìn)一步深入和擴(kuò)展。從實(shí)際應(yīng)用的角度來(lái)看，論文認(rèn)為有必要進(jìn)一步開(kāi)展以下幾方面研究： </p><p>　　1、模型驗(yàn)證。論文僅利用數(shù)學(xué)方法對(duì)微小型四旋翼無(wú)人直升機(jī)進(jìn)行了理論建模，模 型準(zhǔn)確性尚需驗(yàn)證，因此有必要通過(guò)在實(shí)際系統(tǒng)上進(jìn)行系統(tǒng)辨識(shí)，得出能與數(shù)學(xué)模型相比較的辨識(shí)模型。 </p><p>　　2、控

49、制器設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)。論文中提出的控制器設(shè)計(jì)都是基于連續(xù)系統(tǒng)的，而實(shí)際的系統(tǒng)控制器設(shè)計(jì)必須基于離散系統(tǒng)進(jìn)行，因此有必要針對(duì)實(shí)際系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)行進(jìn)一步研究。 </p><p>　　3、其它智能控制方法。不論是數(shù)學(xué)模型還是辨識(shí)模型，都不能完整地反映微小型四旋翼無(wú)人直升機(jī)的特性，論文僅利用Backstepping 和ADRC 方法進(jìn)行了初步的嘗試，其它如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、遺傳算法、專家系統(tǒng)等智能控制方法在微小型四旋翼無(wú)人直升機(jī)上的應(yīng)用同

50、樣是值得研究的內(nèi)容。 </p><p>　　4、狀態(tài)估計(jì)方法的進(jìn)一步完善。論文的狀態(tài)估計(jì)部分只考慮了幾種典型的誤差，而且只是進(jìn)行了理論性的仿真實(shí)驗(yàn)，并沒(méi)有針對(duì)實(shí)際的慣性測(cè)量器件進(jìn)行研究，這遠(yuǎn)不能滿足實(shí)際應(yīng)用的要求，還需要做進(jìn)一步的研究。</p><p><b>　　九．材料</b></p><p>　　機(jī)身和:螺旋槳材料為鋁合金。需四個(gè)電動(dòng)馬達(dá)