微型飛行器系統(tǒng)設計

1、微型飛行器設計導論,南京航空航天大學微型飛行器研究中心,微型飛行器控制系統(tǒng)設計,飛行動力學建模飛行動力學特性分析控制系統(tǒng)設計信息傳輸系統(tǒng)設計 能源與動力系統(tǒng)設計,MAV飛行動力學建模,質心運動學方程 質心動力學方程質心運動學方程旋轉運動方程旋轉動力學方程旋轉運動學方程,MAV飛行動力學建模,,,——考慮螺旋槳滑流作用的MAV質心運動方程,,,考慮螺旋槳滑流影響的MAV氣動工程化模型,,,,,,航跡坐標系下質心動力學方

2、程,航跡坐標系下質心運動學方程,MAV飛行動力學建模,,,,,,,,,,,MAV繞質心旋轉動力學方程,,MAV繞質心旋轉運動學方程,——考慮螺旋槳滑流作用的MAV旋轉運動方程,MAV飛行動力學建模,,,,——基于MAV數學模型的飛行動力學全狀態(tài)特性分析方法,,,MAV運動參數變化規(guī)律,在任意飛行狀態(tài)下，MAV各運動參數變化趨勢可分為單調變化與周期性振蕩變化兩種模態(tài)，每個模態(tài)都存在穩(wěn)定與不穩(wěn)定兩種情況 。,,運動的模態(tài)特征可由特定數量的特

3、征參數來完全表示。振蕩運動模態(tài)特征可由阻尼比、固有頻率、頻率、周期、半衰周期或倍幅周期來描述；單調運動模態(tài)特征可選取半衰周期或倍幅周期來描述,MAV受擾動后，其縱向運動響應主要表現為迎角變化，橫側向運動響應主要表現為側滑角變化。,MAV非線性飛行動力學特性研究,,,,,,在任意初始狀態(tài)基礎上對MAV飛行進行數值仿真,對仿真數據進行分析，獲得該狀態(tài)下MAV相應飛行品質,在飛行包絡線范圍內，對MAV進行飛行品質分析,具體步驟：,獲得精確數學

4、模型,——基于MAV數學模型的飛行動力學全狀態(tài)特性分析方法,MAV非線性飛行動力學特性研究,,,,結果：,,——基于MAV數學模型的飛行動力學全狀態(tài)特性分析方法,MAV非線性飛行動力學特性研究,,,,,,結果：,——基于MAV數學模型的飛行動力學全狀態(tài)特性分析方法,MAV非線性飛行動力學特性研究,,,,,,——基于MAV數學模型的飛行動力學全狀態(tài)特性分析方法,MAV非線性飛行動力學特性研究,結果：,,,,,,MAV飛行控制與導航系統(tǒng)設計

5、,,飛行控制與導航系統(tǒng)結構,,,,,MAV導航系統(tǒng)特點,導航系統(tǒng)任務復雜：劇烈的姿態(tài)、位置變化,系統(tǒng)硬件最優(yōu)組合 ： 尺寸與有效載荷的限制,系統(tǒng)精度、可靠性：微型MEMS電子元器件,MAV飛行控制與導航系統(tǒng)設計,MAV導航系統(tǒng),,,,,,MAV飛行控制與導航系統(tǒng)設計,MAV導航系統(tǒng),MAV導航系統(tǒng)方案,,,,MAV飛行控制與導航系統(tǒng)設計,MAV導航系統(tǒng),MAV導航系統(tǒng)結構,,,,,MAV飛行控制與導航系統(tǒng)設計,MAV導航系統(tǒng),MAV導航

6、系統(tǒng)硬件,,,,,,姿態(tài)測量系統(tǒng)設計：,——基于卡爾曼濾波的多傳感器組合測量姿態(tài),狀態(tài)空間模型,四元數結構下的姿態(tài)運動學方程,,,加入陀螺漂移量進行補償，構成狀態(tài)矢量,,漂移量為隨機變量,,,,,,,,,,,三軸加速度計測量值,,GPS數據獲得加速度,姿態(tài)測量系統(tǒng)設計：,——基于卡爾曼濾波的多傳感器組合測量姿態(tài),測量空間模型,,,,,,,,兩個加速度之間的關系,,,,姿態(tài)測量系統(tǒng)設計：,——基于卡爾曼濾波的多傳感器組合測量姿態(tài),測量空間

7、模型,,,,,,姿態(tài)測量系統(tǒng)設計：,——基于卡爾曼濾波的多傳感器組合測量姿態(tài),仿真結果,,,,,,MAV質心運動學方程的一般形式,,基于GPS信號的MAV導航信息提取,可靠性,實時性,基于純慣導的MAV導航信息提取,基于氣壓傳感器信息的MAV導航信息提取,,,位置、速度測量姿態(tài)測量系統(tǒng)設計：,——多傳感器導航信息優(yōu)化,,,,,,優(yōu)化原理,,在GPS信息有效的情況下，利用GPS定位與測速是最為直接簡便的，測量精度也滿足MAV導航要求,純慣

8、導方式在組合導航中的權重也應隨著工作時間的增加而不斷減小,基于空速計與高度計信息的導航算法有效性隨著外界風速的增大而減小,飛行迎角與側滑角的增大也會減小這一算法的精度,,位置、速度測量姿態(tài)測量系統(tǒng)設計：,——多傳感器導航信息優(yōu)化,,,,,,,組合算法獲取MAV質心位移速度,,,,,,權重系數：,,位置、速度測量姿態(tài)測量系統(tǒng)設計：,——多傳感器導航信息優(yōu)化,,,,,,仿真結果,,,,位置、速度測量姿態(tài)測量系統(tǒng)設計：,——多傳感器導航信息優(yōu)

9、化,,,,,,,MAV飛行控制與導航系統(tǒng)設計,,飛行控制系統(tǒng)流程,,,,,,,,,,MAV飛行控制與導航系統(tǒng)設計,,飛行控制系統(tǒng)方案,微型飛行器飛行控制原理,微型飛行器在類型、布局形式上具有多樣性。不同類型不同布局形式的微型飛行器在操控方式上存在很大差異。但在微型飛行器飛行控制中所涉及到的控制思想與控制原理又具有一致性。,微型飛行器飛行控制原理,控制的基本思想：反饋反饋理論的要素包括三個部分：測量、比較和執(zhí)行。 測量

10、關心的變量，與期望值相比較，用這個誤差糾正調節(jié)控制系統(tǒng)的響應。 控制的關鍵是，做出正確的測量和比較后，如何才能更好地糾正系統(tǒng)。,微型飛行器飛行控制律,飛行控制律，即飛行控制系統(tǒng)形成控制指令的算法。 飛行控制律描述了受控狀態(tài)變量與系統(tǒng)輸入信號之間的關系。 當微型飛行器飛行狀態(tài)得到正確測量后，與期望值進行比較，飛行控制律就是根據兩者之間的差異，來決定微型飛行器執(zhí)行何種操縱，來消除實際值與期望值之間的差

11、異。,微型飛行器飛行控制律,目前，微型飛行器飛行控制律設計中，普遍采用的有PID控制方法、模糊控制方法等。 下面，以固定翼微型飛行器俯仰姿態(tài)控制為例，來介紹各類常用的飛行控制方法。,微型飛行器飛行控制律,PID控制 PID （比例- 積分- 微分）控制器作為最早實用化的控制器已有50多年歷史，現在仍然是應用最廣泛的工業(yè)控制器。 PID 控制器簡單易懂，使用中不需精確的系統(tǒng)模型等先決條件，

12、因而成為應用最為廣泛的控制器，在微型飛行器飛行控制中也得到廣泛應用。,PID控制使用中只需設定三個參數（Kp， Ki 和Kd）即可。在很多情況下，并不一定需要全部三個單元，可以取其中的一到兩個單元，但比例控制單元是必不可少的。,微型飛行器飛行控制律,,比例（P）控制 控制器的輸出與輸入誤差信號成比例關系。當僅有比例控制時系統(tǒng)輸出存在穩(wěn)態(tài)誤差；積分（I）控制 　 在積分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號的積分成正

13、比關系。比例+積分(PI)控制器，可以使系統(tǒng)在進入穩(wěn)態(tài)后無穩(wěn)態(tài)誤差； 微分（D）控制 　　在微分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號的微分成正比關系。 自動控制系統(tǒng)在克服誤差的調節(jié)過程中可能會出現振蕩甚至失穩(wěn)。增加 “微分項”能預測誤差變化的趨勢，這樣，具有比例+微分的控制器，就能夠提前使抑制誤差的控制作用等于零，甚至為負值，從而避免了被控量的嚴重超調。,微型飛行器飛行控制律,微型飛行器飛行控制律,俯仰姿態(tài)控制（比例-微分控制）,

14、參數：kP、kD,動力學模型分析,人員調試經驗,P,D,,微型飛行器飛行控制律,模糊控制 模糊控制是基于模糊數學的基本思想和理論的控制方法。特點：,微型飛行器飛行控制律,模糊控制 人員操縱微型飛行器飛行時，通過觀察微型飛行器飛行姿態(tài)與軌跡，對其飛行進行控制。當操縱人員獲得觀測數據時，根據所積累的知識和操縱經驗，做出決策，并采取相應的控制動作。顯然，這種決策過程不是通過精確的定量計算，而是依靠定性

15、的或模糊的知識。,微型飛行器飛行控制律,模糊控制 例如，在縱向姿態(tài)控制時，操縱人員所感知的只是縱向姿態(tài)的概念量，比如說“俯仰角非常偏大”，他使用這一概念與頭腦中已有的控制經驗和模式相匹配，得到“俯仰角非常偏大應該推桿使升降舵較大正偏”的推斷，進而由控制機構將“推桿使升降舵較大正偏”按照某定量值執(zhí)行，從而完成整個飛行控制過程的一個循環(huán)。,微型飛行器飛行控制律,模糊控制微型飛行器模糊飛行控制律設計步驟：建立微型飛行器各

16、狀態(tài)參數及控制量的模糊集合按照一定的模糊規(guī)則，確定模糊控制表，得到模糊關系根據模糊關系進行模糊運算，得到相應的模糊控制量根據一定的去模糊規(guī)則，將模糊控制量轉化為精確數值，得到不同狀態(tài)參數組合下的控制量，繪制模糊控制表面圖,微型飛行器飛行控制律,模糊控制 在固定翼微型飛行器俯仰姿態(tài)模糊控制律設計中，采用俯仰角實際值與期望值之間的偏差以及偏差變化率（當期望值不變時即為俯仰角速率）作為狀態(tài)參數，升降舵偏角為控制量。,微型

17、飛行器飛行控制律,模糊控制建立狀態(tài)參數及控制量的模糊集合 對狀態(tài)參數（俯仰角偏差、偏差變化率）和控制量（升降舵偏角）按照一定精度在一定范圍內進行模糊化處理，并以模糊集 {PL,PM,PS,ZO,NS,NM,NL}的形式來描述。,微型飛行器飛行控制律,模糊控制建立模糊規(guī)則表，得到模糊關系 根據人員操縱經驗，歸納出模糊規(guī)則表，即得到在不同的狀態(tài)參數組合到控制量的模糊推理。,,根據每條推理規(guī)則，求出相應的

18、模糊關系再根據模糊關系合成法則，建立總的模糊關系。,微型飛行器飛行控制律,模糊控制根據模糊關系進行模糊運算，得到相應的模糊控制量,,微型飛行器飛行控制律,模糊控制根據一定的去模糊規(guī)則，將模糊控制量轉化為精確數值，得到模糊控制表面圖,,對于任意一組俯仰角偏差 和偏差變化率組合，都可以獲得相應的控制輸出。在實際飛行中根據每一時刻的狀態(tài)參數，能夠實時地直接由控制規(guī)則表得到相對應的控制行為。 在離線狀態(tài)下能夠根據實際

19、情況對控制規(guī)則表進行檢驗修正，使其符合控制的實際要求。,微型飛行器飛行控制律,微型飛行器的飛行控制任務復雜、控制對象特性差異巨大，需要根據實際情況選擇PID方法、模糊控制或其他類型的控制方法來設計微型飛行器飛行控制律。,,微型飛行器與有人飛行器的一個重要區(qū)別就是，微型飛行器與地面站應時刻保持信息交互，地面站應具有對微型飛行器實時監(jiān)控和實時控制的能力。 微型飛行器測控與信息傳輸系統(tǒng)承擔對微型飛行器的遙控、遙測以及圖像信息

20、的實時監(jiān)控、記錄和分發(fā)的任務，其工作狀態(tài)、可靠性、穩(wěn)定性直接影響到微型飛行器任務的完成情況。,微型飛行器信息傳輸系統(tǒng)的主要功能,微型飛行器信息傳輸系統(tǒng)包括：機載信息傳輸系統(tǒng)地面測控系統(tǒng),微型飛行器信息傳輸系統(tǒng)的組成,機載信息傳輸系統(tǒng),微型飛行器系統(tǒng)數據鏈的機載部分包括：機載數據終端 機載數據終端包括遙控接收機、發(fā)射機以及用于連接接收機和發(fā)射機到系統(tǒng)其余部分的調制解調器。天線 天線通常采用全向天

21、線，有時也要求采用具有增益的有向天線。,機載信息傳輸系統(tǒng),機載信息傳輸系統(tǒng)的任務主要分為對上行信息的處理和對下行信息的處理。,機載信息傳輸系統(tǒng),機載上行信息處理：機載遙控天線接收地面遙控信息后，收發(fā)前端進行放大和解調，經機載編解碼電路把數據送入機載飛控計算機，可執(zhí)行地面對微型飛行器的飛行控制指令。,機載信息傳輸系統(tǒng),機載下行信息處理：下行信息包括兩部分，一部分是微型飛行器飛行信息，包括飛行器姿態(tài)，位置，飛行速度等；另一部分是任務信息（如

22、偵察視頻圖像） 。 為了保證實時視頻傳輸，必須進行圖像數字壓縮處理。遙測數據和視頻數據經過復接、編碼后形成遙測幀數據流，進行調制，最后經放大、由機載全向天線發(fā)射。,機載信息傳輸系統(tǒng),微型飛行器一般對機載設備具有嚴格的重量與體積限制，要實現高集成的機載信息傳輸功能，在設計中必須采取以下措施：采用全數字一體化終端處理技術，如全數字化的解擴、解調技術，由單板印制板完成，提高了集成化及可靠性；模塊各部分的電磁兼容設計；

23、對天線的合理分配、布局，以提高傳輸距離；簡化的接口設計，增加各接口檢測功能等。,地面測控系統(tǒng),地面測控系統(tǒng)一方面要執(zhí)行上行和下行信息傳輸任務，另一方面也是人機之間的信息交互設備。通過地面人機交互來控制飛行器，正是微型飛行器不同于有人駕駛飛行器的特點。,地面測控系統(tǒng),地面測控站的功能：對遙控指令的實時發(fā)送、處理并在地面終端上顯示；對微型飛行器飛行狀態(tài)遙測數據的實時接收；對任務視頻圖像下傳數據的實時處理、顯示與記錄；在地圖背景下實

24、時繪制微型飛行器航跡；對人員調控指令臨時上傳；對遙控、遙測數據實時存儲；,地面測控系統(tǒng),系統(tǒng)組成 根據地面測控系統(tǒng)的任務功能要求，其系統(tǒng)應至少具有以下三部分組成：信息接收部分，承擔接收微型飛行器的信息（包括狀態(tài)、航跡）進行解碼編譯；控制部分，提供操作平臺(如鍵盤、手柄等)，便于地面人員實時控制飛行器的飛行和執(zhí)行任務；顯示部分，負責實時顯示飛行狀態(tài)和相關參數，繪制微型飛行器的航跡，對微型飛行器傳回的視頻圖像信號

25、進行實時顯示并存儲備用。,地面測控系統(tǒng),地面測控系統(tǒng)的設計要求 地面測控系統(tǒng)必須具有良好的人機界面和方便靈活的操作方式。測控系統(tǒng)顯示界面至少需要包括兩部分內容：,一部分是圖形圖像顯示內容，包括具有背景地圖的航跡顯示，飛行器姿態(tài)的模擬顯示，對地面攝像的視頻顯示等；另一部分是飛行器飛行狀態(tài)參數，如飛行器姿態(tài)、飛行高度、飛行速度、航向、位置以及參數的更新等；還有飛行器下傳的傳感器參數，如陀螺、加速度計、磁力計、衛(wèi)星接收機

26、信息等，此外包括能源、發(fā)動機、任務設備的檢測信息等。,地面測控系統(tǒng),地面測控系統(tǒng)的設計要求 地面測控系統(tǒng)必須具有良好的人機界面和方便靈活的操作方式。能方便靈活地實現微型飛行器的指令遙控 主要由地面測控裝置的硬件按鍵或手柄來實現的，包括遙控飛行指令：如起飛、上升、平飛、盤旋、下降、著陸、返航、加速、減速等，飛行器起飛前自檢：電源、舵機、任務設備、傳動機構、功能切換等。,地面測控系統(tǒng),地面測控系統(tǒng)的設計

27、要求 對于微小型微型飛行器，考慮到便攜性、經濟性等方面的要求，可以以便攜式計算機、地面收發(fā)信息模塊以及遙控操作器組成設計地面測控站，如下圖所示。,微型飛行器其動力裝置的主要要求是：重量輕,體積小，功重比大，易于起動，可靠性高；此外還有低噪聲，振動小，電磁干擾小等特殊要求。 目前針對微型飛行器動力裝置方案，已經使用和研究中的動力裝置主要包括：電動機驅動螺旋槳、內燃機驅動螺旋槳、微型渦輪噴氣

28、發(fā)動機、人造肌肉等。 考慮到微型飛行器使用條件以及各類動力裝置技術可行性的因素，目前，電動機驅動螺旋槳是最常用的設計。,微型飛行器動力裝置,電機,微型飛行器可用的電機目前有兩種類型：有刷電機無刷電機 有刷電機的電刷使用到一定次數，電刷就被磨損殆盡，必須更換電刷。,電刷,電機,微型飛行器可用的電機目前有兩種類型：有刷電機無刷電機 無刷電機沒有電刷，不存在電刷磨損，因此使用壽命遠大于有刷電機。,電機,微型飛行器

29、可用的電機目前有兩種類型：有刷電機無刷電機 同樣的電力下，無刷電機能比有刷電機提供更大的動力，效率更高。 由于無刷電動機動力足，壽命長，效率高，目前已成為微型飛行器動力裝置中的主流。,無刷電機,KV值 對于無刷電機而言，最為重要的參數就是KV值。 KV值就是輸入電壓增加1伏特,無刷電機空轉轉速增加的轉速值。 一般而言KV值越大扭力就越小，KV值越低扭力越大。而對于螺旋槳而言，越大的槳所需扭力也

30、越大，因此電機的KV值決定了與之相匹配的螺旋槳大小。,無刷電機,以某型KV 值為2100的無刷電機為例，其在11.1伏電壓下，轉速(不帶槳)就是2100*11.1=23310轉每分鐘。 該型電機11.1伏電壓下適合用5030槳，若配置8060槳，則會扭力不足，甚至損壞電機和電調。 通過改變電壓，可以改變電機的轉速，與之相匹配的螺旋槳也可相應改變大小。若增大電壓，則電機轉速變高，扭力會減小，槳需要更小的

31、。反之，降低電壓，電機轉速變小，槳就可以更大一些。 因此，從某種意義上講，選電機就是選KV值。電機的KV值決定與之相匹配的螺旋槳以及適用的微型飛行器。,電子調速器,電子調速器（電調）的主要作用是根據控制信號調節(jié)電動機的轉速。 電調對應使用的電機類型不同，也分無刷電調和有刷電調。,電子調速器,無刷電機工作必須要有電調，否則是不能轉動的。 無刷電調有這樣幾個功能：一是提供無刷電機工作的低壓交流電

32、，電機才能轉動；二是轉換電池電壓以供接收機工作。 選擇電調是必須根據應用情況以及電機的功率要求。電機工作時，所需的電流不能超過電調的最大電流值，超過這個值電調就可能會損毀。,電池,電池是電動微型飛行器的能量來源，電動微型飛行器目前普遍采用可充電電池。主要類型有充電電池有鎳鎘電池、鎳氫電池、鋰聚合物電池、鐵鋰電池等。 其中鎳鎘電池已因技術落后基本淘汰，鐵鋰電池為美國新技術，還沒有完全推廣開來。目前小型微型飛行器主要

33、用鋰聚合電池和鎳氫電池兩種類型。,電池,電壓 單體聚合物鋰電池的工作電壓為3.7V左右，在使用時，可將單體電池串聯。 如2S電池即指兩塊單體電池的串聯電池組，電壓為7.4V，3S電池指三塊單體電池串聯的電池組，電壓為11.1伏。 工作電壓并不是指電池充滿電的時的電壓。對于單體聚合物鋰電池，充滿以后電壓一般能達到4.2V。,電池,容量和放電倍率 除了

34、電壓，容量和放電倍率(C)也是電池的重要參數。 電池放電倍率用來表示電池充放電時電流大小的比率。 以1200mAh的電池，1C表示1200mAh，0.2C表示240mA。 若該電池標稱為10C，那么它的最大放電電流是1.2A*10=12A，但在10C即12A的工作狀態(tài)下，理論上只能持續(xù)工作60/10=6分鐘。,電池,容量和放電率 電池容量也是電池性能的重要性能指