小型简易四旋翼飞行器的设计与实现

检索报告

小型简易四旋翼飞行器设计与实现

系所：电子工程系

专业：集成电路设计与制造

班级：集成12003班

姓名：段继蒙

学号：12160500309

检索日期： 2015年 5月 31日

前言：

四旋翼式飞行器因其起飞和降落所需空间较少，在障碍物密集环境下的操控性较高，以及飞行器姿态保持能力较强的优点，在民用和军事领域都有广泛的应用前景。其中，小型四旋翼飞行器的研究近年来日趋成熟，并为自动控制，先进传感技术以及计算机科学等诸多技术领域的融合研究提供了一个平台。在空中机器人智能控制，三维路径规划，多飞行器空中交通管理和碰撞规避等方面，小型四旋翼飞行器控制系统都具有很高的研究价值。本论文对小型四旋翼飞行器的多种飞行控制算法展开研究，并通过大量的计算机仿真加以验证。论文的主要工作和贡献如下： 1）小型四旋翼飞行器动力学建模：将四旋翼飞行器看作刚体，选取影响飞行器运动的关键受力和力矩，之后根据牛顿定律和欧拉方程，推导出关于三个平动位移量和三个转动位移量的动力学方程。 2）基于经典PID算法的四旋翼飞行器系统的控制：设计了一个基于经典PID算法的控制系统。在该系统中，将整个控制结构分为内环控制（姿态控制）和外环控制（飞行位置控制）两个闭合环路，分别进行设计。该控制系统可使飞行器准确飞抵目标位置，并在该位置保持盘旋状态下的稳定。 3）基于Backstepping方法的四旋翼飞行器系统的控制：根据四旋翼飞行器系统的状态方程，运用Backstepping方法推导出使系统稳定的控制量表达式。仿真结果显示，该控制器与基于经典PID算法的控制器相比，在系统响应超调，上升时间和稳定时间三个方面均有明显改善。 4）基于Backstepping方法的四旋翼飞行器系统的自适应控制：在之前设计的基于Backstepping方法的控制器的基础上，设计了分别针对未知质量和外界干扰的估计器，从而使新设计的控制器具有自适应性。仿真结果显示，该控制器在飞行器质量阶梯式递减和存在一定形式的外界小扰动的情况下，仍然能保持系统的稳定，从而验证了该控制系统的鲁棒性。纵观全文，在所建立的小型四旋翼飞行器动力学模型的基础上，本文在控制系统的设计过程中遵循了由简单到复杂的方法论，在前一步设计的控制系统基础上引入新的控制算法和结构，使飞行器最终在基于Backstepping方法的自适应控制系统的控制下，表现出良好的稳定性和鲁棒性，从而为四旋翼飞行器的实际工程应用提供了重要的理论基础。

第一章绪论

在本章中，简要介绍了小型四旋翼飞行器研究的背景和意义，以及该领域研究的历史和国内外对小型四旋翼飞行器研究的现状，并对整篇论文的内容和结构做了说明。全章由论文研究背景和意义，早期四旋翼飞行器设计，国内外四旋翼飞行器研究现状和论文的主要研究内容和结构安排四个部分组成。

1.1小型四翼飞行器的意义

无人飞行器（UAV）自主飞行技术多年来一直是航空领域研究的热点，并且在实际应用中存在大量的需求，例如：侦察与营救任务，科学数据收集，地质、林业勘探，农业病虫害防治，以及视频监控，影视制作等。通过无人飞行器来完成上述任务可以大大降低成本和提高人员安全保障[1-5]。无人飞行器的主要优点包括：系统制造成本低，在执行任务时人员伤害小，具有优良的操控性和灵活性等。而旋翼式飞行器与固定翼飞行器相比，其优势还包括：飞行器起飞和降落所需空间少，在障碍物密集环境下的可控性强，以及飞行器姿态保持能力高[7][26]。由国际无人运输系统协会(International Association for Unmanned Vehicle Systems）组织的一年一度的国际空中机器人竞赛(International Aerial Robotics Competition),为自主旋翼式飞行器的应用潜力研究提供了一个很好的展示平台。该竞赛吸引了来自全世界不同国家研究团队的参与，来完成预先设定的自主飞行任务[25]。在无人飞行器自主飞行的众多技术当中，飞行器自主飞行控制算法的设计一直是控制领域众多研究者最关心的问题之一。经典的控制策略在飞行器系统的某个特定作用点上往往首先将系统模型线性化，然后在此基础上运用经典控制理论对系统进行分析和控制，控制精度和控制能力偏弱。相比之下，运用现代非线性控制理论设计的控制算法，其性能明显优于经典控制算法[27]。小型四旋翼飞行器与其它飞行器相比，其优势在于其机械结构较为简单，并且只需通过改变四个马达的转速即可实现控制，且飞行机动能力更加灵活[14][25]。另一方面，小型四旋翼飞行器具有较高的操控性能，并具有在小区域范围内起飞，盘旋，飞行，着陆的能力。飞行器可以飞至离目标更近的区域，而不像传统直升机由于其巨大的单旋翼而不能近距离靠近目标[2]。同时，小型四旋翼飞行器研究也为自动控制，先进传感技术以及计算机科学等诸多领域的融合研究提供了一个平台。在机器人的智能控制，三维路径规划多飞行器的空中交通管理和碰撞规避等方面，小型四旋翼飞行器自主飞行技术都具有极高的研究价值。

参考文献：

[1] 宋笔锋.飞行器可靠性工程[M].西北工业大学出版社.

[2] 于俊雄.飞行器大观 [M].中国和平出版社.

[3] 吕唐华.航空宇航制造工程飞行器制造技术 [M].上海教育出版社.

[4] 范玉清.飞行器运动方程[M].航空工业出版.

[5] 王璐. 导航、制导与控制[D].哈尔滨工程大学，2012

[6] 金大鹏. 导航、制导与控制[D].东北大学，2010

[7] 郭晓红.控制理论与控制工程[D].南京航空航天大学,2014