四旋翼飛行實(shí)驗(yàn)平臺(tái)開題報(bào)告

1、<p><b>　　摘要</b></p><p>　　四旋翼無人機(jī)體積小，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠，飛行靈活，適合復(fù)雜環(huán)境下的作業(yè)，能在近地面環(huán)境執(zhí)行巡查、監(jiān)測(cè)等任務(wù)，可用于軍事和民用。同時(shí)由于其獨(dú)特的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和動(dòng)力學(xué)特性，對(duì)數(shù)據(jù)獲取、處理及控制算法都有很高的要求。已成為科研機(jī)構(gòu)競(jìng)相研究的熱點(diǎn)。</p><p>　　本文旨在建立一個(gè)四旋翼飛行實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，使其能達(dá)到工程應(yīng)用

2、的目的。 </p><p>　　論文首先闡述了四旋翼飛行器的基本飛行原理，給出了整體設(shè)計(jì)框架。然后根據(jù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，以DSP處理器為核心設(shè)計(jì)了四旋翼的姿態(tài)檢測(cè)、飛行控制模塊，無刷直流電機(jī)的驅(qū)動(dòng)模塊，選取了無線通訊模塊，并對(duì)各模塊進(jìn)行整合，完成了系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)。然后采用四元數(shù)方法對(duì)測(cè)量的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行了姿態(tài)解算，并對(duì)不同傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行了數(shù)據(jù)融合，得到了良好的飛行姿態(tài)。同時(shí)將數(shù)據(jù)通過無線方式傳輸?shù)缴衔粰C(jī)進(jìn)行分析

3、，驗(yàn)證了四旋翼飛行器整體設(shè)計(jì)的可行性。 </p><p>　　本文在所設(shè)計(jì)硬件基礎(chǔ)上對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行建模，給出了一個(gè)簡(jiǎn)化的四旋翼數(shù)學(xué)模型，以PID控制算法設(shè)計(jì)了四旋翼飛行器的控制器，通過仿真得到穩(wěn)定的控制結(jié)果。并在論文最后闡述了該平臺(tái)的上位機(jī)軟件實(shí)現(xiàn)。本文初步實(shí)現(xiàn)了四旋翼飛行器實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的建立，為系統(tǒng)的后續(xù)研究打下了基礎(chǔ)。 </p><p>　　關(guān)鍵詞： 四旋翼，飛行

4、實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，姿態(tài)解算，系統(tǒng)建模，PID控制 </p><p>　　1.1  四旋翼飛行器的研究意義 </p><p>　　無人機(jī)以其體積小、重量輕、機(jī)動(dòng)性好、飛行時(shí)間長(zhǎng)和便于隱蔽為特點(diǎn)[1]，常被用于執(zhí)行情報(bào)、監(jiān)視、偵察、攻擊任務(wù)。尤其是因其無人駕駛，特別適合于執(zhí)行危險(xiǎn)性大的任務(wù)，故在現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)中正發(fā)揮著越來越大的作用。例如在伊拉克戰(zhàn)爭(zhēng)中，美軍在戰(zhàn)場(chǎng)上使

5、用了十幾種無人機(jī)，在對(duì)伊作戰(zhàn)中發(fā)揮了巨大作用，給人們留下了深刻的印象。鑒于無人機(jī)在伊拉克戰(zhàn)場(chǎng)上的表現(xiàn)，美國(guó)防部加大了對(duì)無人機(jī)研究的投入。由此也掀起了世界范圍內(nèi)無人機(jī)研究的熱潮。 </p><p>　　四旋翼無人飛行器同時(shí)也叫四軸飛行器、四旋翼無人機(jī)，國(guó)外又稱（Four-rotor，4 rotors helicopter，X4-flyer，Quad-rotor）等等，是一種能夠垂直起降

6、的飛行器，它具有四個(gè)螺旋槳，并且四個(gè)螺旋槳呈十字形結(jié)構(gòu)分布，同一軸向的四旋翼具有相同的旋轉(zhuǎn)方向，兩組螺旋槳的旋轉(zhuǎn)方向相反。與通常所見的直升機(jī)有所不同，四旋翼直升機(jī)只能依靠改變自身螺旋槳的轉(zhuǎn)速來實(shí)現(xiàn)各種飛行動(dòng)作。 </p><p>　　四旋翼無人機(jī)可以通過遠(yuǎn)程遙控設(shè)備控制飛行，與載人飛機(jī)相比，它具有體積適中、造價(jià)低廉、使用方便的特點(diǎn)。與其他無人機(jī)相比它機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，滯空能力強(qiáng)，靜態(tài)飛行、低速飛行特性好

7、，可以很容易的實(shí)現(xiàn)各種飛行姿態(tài)。應(yīng)用于軍事上，可配備相機(jī)或者攝像機(jī)，完成低空的偵察任務(wù)，監(jiān)視戰(zhàn)場(chǎng)進(jìn)行損傷評(píng)估等。在警用方面已有俄羅斯警察將其應(yīng)用于反恐任務(wù)，在復(fù)雜的環(huán)境中監(jiān)視犯罪分子的活動(dòng)。 </p><p>　　不僅如此，在民用方面，這種飛行器可以用于空中監(jiān)視城市的環(huán)境狀況和交通狀況。利用它在人們難以到達(dá)的地方搬運(yùn)物體。在野外營(yíng)救以及地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)上也能得到很好的利用[2-4]。 </p

8、><p>　　四旋翼飛行器的整體結(jié)構(gòu)雖然相對(duì)簡(jiǎn)易，但是作為一個(gè)多輸入多輸出的控制系統(tǒng)，空氣動(dòng)力學(xué)特性復(fù)雜，系統(tǒng)建模也相對(duì)困難，外部的干擾更是增加了對(duì)其控制的算法的要求。而且它也是一個(gè)多學(xué)科的技術(shù)綜合體，涉及到剛體動(dòng)力學(xué)，空氣動(dòng)力學(xué)，控制，檢測(cè)，信息等學(xué)科。近些年來隨著微型慣性傳感器件、高性能處理器件的發(fā)展，為四旋翼的設(shè)計(jì)與制造，以及商業(yè)化發(fā)展及應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。這也為控制領(lǐng)域的研究提供了一個(gè)很好的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，在系統(tǒng)建模與

9、仿真，自適應(yīng)控制，捷聯(lián)慣性制導(dǎo)，多傳感器數(shù)據(jù)融合以及飛行路徑規(guī)劃等方面均有不錯(cuò)的研究?jī)r(jià)值。 </p><p>　　綜上所述四旋翼無人機(jī)在軍事，民用方面具有很高的應(yīng)用價(jià)值，在科學(xué)研究以及工程實(shí)踐上都有重要的研究意義，具有廣闊的發(fā)展的前景。</p><p>　　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&g

10、t;</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)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)為操縱來說是一件非常困難的事，所以該方案始終沒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)卻使它無法再小型四旋翼飛行器設(shè)計(jì)中應(yīng)用

11、。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)形式無疑是一種提高四旋翼飛行器負(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題，則有望通過設(shè)計(jì)自動(dòng)飛行控制系統(tǒng)來解決。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

12、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><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。他們是通過控制舵機(jī)來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，是通過調(diào)節(jié)四個(gè)電機(jī)轉(zhuǎn)速來改變旋翼轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)升力的變化，從而控制飛

13、行器的姿態(tài)和位置。由于飛行器是通過改變旋翼轉(zhuǎn)速實(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

14、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)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調(diào)節(jié)不同電機(jī)的轉(zhuǎn)速來實(shí)現(xiàn)。基本運(yùn)動(dòng)狀態(tài)分別是：（1）垂直運(yùn)動(dòng)；（2）

15、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)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)來說比較容易。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

16、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)：在圖（b）中，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。為

17、了不因?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)</p><p>　　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)：與圖b的原理相同，在圖c中，改變電機(jī)2和電機(jī)4的

18、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)飛行器的滾轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。 </p><p>　?。?）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)生的反扭矩來實(shí)現(xiàn)。旋翼轉(zhuǎn)動(dòng)過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

19、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)引起四旋翼飛行器轉(zhuǎn)動(dòng)。在圖d中，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

20、施加一定的力。在圖e中，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)保持其它兩個(gè)電機(jī)轉(zhuǎn)速不變，反扭矩仍然要保持平衡。按圖b的理論，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</p><p>　　好相反。當(dāng)然在圖b圖c中，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>　　（