四旋翼無人飛行器控制技術(shù)1

1、四旋翼無人飛行器控制技術(shù),邱麗qiuli@szu.edu.cn,四旋翼無人飛行器控制技術(shù),1、自動(dòng)控制系統(tǒng)的預(yù)備知識(shí)2、四旋翼飛行器概述3、飛行原理4、四軸飛行器組成5、控制方法,在沒有人直接參與的情況下，利用外加的設(shè)備或裝置（稱為控制裝置或控制器），使機(jī)器、設(shè)備或生產(chǎn)過程（通稱被控對(duì)象）的某個(gè)工作狀態(tài)或參數(shù)（即被控量）自動(dòng)地按照預(yù)定的規(guī)律運(yùn)行。,自動(dòng)控制,1、自動(dòng)控制系統(tǒng)的預(yù)備知識(shí),自數(shù)控機(jī)床、室內(nèi)溫度控制、機(jī)車、船舶及飛機(jī)

2、自動(dòng)駕駛、導(dǎo)彈制導(dǎo)等等。,應(yīng)用領(lǐng)域,1、自動(dòng)控制系統(tǒng)的預(yù)備知識(shí),人工控制恒溫箱過程,★ 觀察恒溫箱內(nèi)的溫度（被控制量）★ 與要求的溫度（給定值）進(jìn)行比較。得到溫度偏差的大小和方向★ 根據(jù)偏差大小和方向調(diào)節(jié)調(diào)壓器，控制加熱電阻絲的電流以調(diào)節(jié)溫度回復(fù)到要求值。,人工控制恒溫箱調(diào)節(jié)過程,人工控制過程的實(shí)質(zhì),★ 檢測(cè)偏差再糾正偏差,人工控制恒溫箱系統(tǒng)功能框圖,恒溫箱自動(dòng)控制系統(tǒng)框圖,恒溫箱自動(dòng)控制系統(tǒng)工作原理,恒溫箱實(shí)際溫度由熱電偶轉(zhuǎn)換為對(duì)

3、應(yīng)的電壓u2恒溫箱期望溫度由電壓u1給定，并與實(shí)際溫度u2比較得到溫度偏差信號(hào)△u=u1-u2溫度偏差信號(hào)經(jīng)電壓、功率放大后，用以驅(qū)動(dòng)執(zhí)行電機(jī)，并通過傳動(dòng)機(jī)構(gòu)拖動(dòng)調(diào)壓器動(dòng)觸頭。當(dāng)溫度偏高時(shí)，動(dòng)觸頭向減小電流的方向運(yùn)動(dòng)，反之加大電流，直到溫度達(dá)到給定值為止，此時(shí)，偏差△u=0，電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)。,恒溫箱自動(dòng)控制系統(tǒng)功能框圖,從恒溫箱控制系統(tǒng)功能框圖可見,給定量位于系統(tǒng)的輸入端，稱為系統(tǒng)輸入量。也稱為參考輸入量（信號(hào)）被控量位于系統(tǒng)的輸出

4、端，稱為系統(tǒng)輸出量。輸出量（全部或一部分）通過測(cè)量裝置返回系統(tǒng)的輸入端，使之與輸入量進(jìn)行比較，產(chǎn)生偏差（給定信號(hào)與返回的輸出信號(hào)之差）信號(hào)。輸出量的返回過程稱為反饋。返回的全部或部分輸出信號(hào)稱為反饋信號(hào)。,控制系統(tǒng)的工作原理,檢測(cè)輸出量（被控制量）的實(shí)際值將輸出量的實(shí)際值與給定值（輸入量）進(jìn)行比較得出偏差；用偏差值產(chǎn)生控制調(diào)節(jié)作用去消除偏差，使得輸出量維持期望的輸出,由于存在輸出量反饋，上述系統(tǒng)能在存在無法預(yù)計(jì)擾動(dòng)的情況下，自動(dòng)減

5、少系統(tǒng)的輸出量參與輸入量（或者任意變化的希望的狀態(tài)）之間的偏差，故稱之為反饋控制顯然：反饋控制建立在偏差基礎(chǔ)上，其控制方式是“檢測(cè)偏差再糾正偏差”,這種基于反饋原理，能對(duì)輸出量與參考輸入量進(jìn)行比較，并力圖保持兩者之間既定關(guān)系的系統(tǒng)。稱為反饋控制系統(tǒng)，反饋控制系統(tǒng)具有量測(cè)、比較和執(zhí)行三個(gè)基本功能,注意,反饋控制系統(tǒng)中，反饋信號(hào)是與給定信號(hào)相減，使偏差越來越小，稱為負(fù)反饋。負(fù)反饋控制是實(shí)際自動(dòng)控制最基本的方法。,閉環(huán)控制系統(tǒng)：按偏差進(jìn)行控

6、制，較高的動(dòng)靜態(tài)控制性能；結(jié)構(gòu)、線路復(fù)雜，系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)較復(fù)雜。開環(huán)控制系統(tǒng)（順序控制）：系統(tǒng)輸出量對(duì)系統(tǒng)的輸入量不產(chǎn)生影響，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、調(diào)整方便、成本低,自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本形式（根據(jù)有無反饋）,優(yōu)勢(shì),垂直起降懸停、倒飛、側(cè)飛能力螺旋槳小，飛行安全結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，控制靈活,四旋翼結(jié)構(gòu)圖,2、四旋翼飛行器概述,用途,國(guó)際四旋翼無人直升機(jī)研究方向,基于慣性導(dǎo)航的自主飛行控制基于視覺導(dǎo)航的自主飛行控制多智能體群控制,3、四旋翼飛

7、行原理（以MK為例）,四軸飛行器有四個(gè)電機(jī)呈十字形排開，驅(qū)動(dòng)四片槳旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生推力。四電機(jī)距幾何中心距離相等，對(duì)角兩軸產(chǎn)生升力相同時(shí)保證力矩平衡 四電機(jī)一對(duì)正轉(zhuǎn)，一對(duì)反轉(zhuǎn)使得豎直軸方向旋轉(zhuǎn)的反扭矩平衡，保證四軸航向的穩(wěn)定。,3、四旋翼飛行原理（以MK為例）,Mk規(guī)定四軸電機(jī)的排布方式如圖示：前（1號(hào)）、后（2號(hào)）、右（3號(hào)）、左（4號(hào)）。1,2號(hào)電機(jī)順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)，3,4號(hào)電機(jī)逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)。四個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)速做相應(yīng)的變化即可實(shí)現(xiàn)四軸 橫向

8、、縱向、豎直方向和偏航方向上的運(yùn)動(dòng)。,3、四旋翼飛行原理（前方運(yùn)動(dòng)）,前方運(yùn)動(dòng)：3,4號(hào)電機(jī)保持轉(zhuǎn)速不變，1號(hào)電機(jī)轉(zhuǎn)速下降，2號(hào)電機(jī)轉(zhuǎn)速上升，此時(shí)2號(hào)電機(jī)產(chǎn)生的升力大于1號(hào)電機(jī)的升力，四軸沿幾何中心向前傾轉(zhuǎn)，槳葉升力沿縱向的分力驅(qū)動(dòng)四軸向前運(yùn)動(dòng)。,3、四旋翼飛行原理（左轉(zhuǎn)）,轉(zhuǎn)左：1,2號(hào)電機(jī)保持轉(zhuǎn)速上升，3,4號(hào)電機(jī)轉(zhuǎn)速下降，使向左的反扭矩大于向右的反扭矩，四軸在反扭矩的作用下向左旋轉(zhuǎn)。,3、四旋翼飛行原理（左轉(zhuǎn)）,四個(gè)槳產(chǎn)生的推力，

9、超過或者低于四軸本身重力的時(shí)候能夠?qū)崿F(xiàn)豎直方向上升與下降的運(yùn)動(dòng)，當(dāng)槳的升力與四軸本身的重力相等的時(shí)候即實(shí)現(xiàn)懸停。,4、MK版四軸飛行器組成,一個(gè)飛控板，四個(gè)無刷電機(jī)電調(diào)、四個(gè)無刷電機(jī)、一對(duì)正槳，一對(duì)反槳，一個(gè)機(jī)身，一塊鋰電（3~4節(jié)），一套大于等于4通道的遙控器和接收機(jī),5、控制方法,四旋翼無人飛行器控制系統(tǒng)簡(jiǎn)圖,關(guān)鍵技術(shù),最優(yōu)化總體設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì)原則：重量輕、尺寸小、速度快、能耗低動(dòng)力與能源 提高動(dòng)力裝置效率，采用高效能

10、源數(shù)學(xué)模型的建立飛行控制 研制可以精確控制飛行器姿態(tài)，并且具有抗干擾能力強(qiáng)和環(huán)境自適應(yīng)能力強(qiáng)的姿態(tài)控制器定位、導(dǎo)航與通信 開發(fā)精確的定位與導(dǎo)航技術(shù)，保證通信鏈技術(shù)具有可靠性、安全性和抗干擾性,器件,全部器件 支架 電機(jī) 電子調(diào)速器,螺旋槳 電子羅盤