微型四旋翼控制系统的设计设计.doc

0 前言 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。 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。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。 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。 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。 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。 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。 四旋翼飞行器 早期四旋翼飞行器设计 早在 20 世纪初期，就有人开始研制载人四旋翼飞行器。Breguet-Richet 四旋翼飞行器建造于 1907 年，在其十字支架的四端固定了四个长为 8.1 米的旋翼。其中两个旋翼顺时针方向旋转，另外两个旋翼逆时针方向旋转。驾驶员坐在十字支架得中心位置，油门为唯一的控制设备，而导致对飞行器的稳定性控制并不理想。飞行器起飞时，在其四端需要有工作人员帮助来实现稳定起飞。虽然自主飞行并未实现，但同时使用顺时针旋转旋翼和逆时针旋转旋翼的思想是 Breguet-Richet 四旋翼飞行器的显著特点。 1921 年 1 月，美国空军军团（US Army Air Corps）与 George de Bothezat和 Ivan Jerome 签订合约共同建造垂直飞行器。1678kg 的“X”形结构支架用来支撑位移支架四端的直径为 8.1 米的六翼片旋翼。一个小型的提升旋翼被置于支架交点的 180hp 的 Le Rhone 放射装引擎上方，但随后不久就被认为多余而被拆卸。每个旋翼可单独控制其转速以产生不同的升力，使飞行器倾斜而产生前后移动。 该飞行器重 1700kg，于1922 年十月进行其第一次试飞。飞行器的引擎很快被换为 220hp 旋转式 Bentley BR-2。1922年12月18日于 Wright Field 进行的一次试飞中，该飞行器飞行高度达 1.8 米，空中飞行达 1 分 42 秒。1923 年 1月 19 日的另一次试飞，飞行器将两人抬至 1.2 米的高度。截止 1923 年底，该飞行器于俄亥俄州代顿市共试飞约 100 次。尽管合约中要求，飞行高度达到 100米，该飞行器实际飞行高度只有 5 米。在该研究花费了约 20 万美元后，Bothezat展示了他设计的飞行器可以实现稳定飞行，实际应用的直升机理论上是可以制造出来的。然而，该飞行器动力不足，响应性能不高，机械结构过于复杂，并存在潜在的稳定性隐患。在尝试横向飞行时，需要大量的人力和物力的支持。因此，美国军方最终对其失去了兴趣。 Convertawings于1950年在纽约的Amityville建造了一架四旋翼飞行器。此飞行器的每个旋翼直径达19英尺，并通过用两个引擎来改变每个旋翼的升力来控制飞行器。经试飞验证，Convertawings飞行器在空中飞行性能良好，但由于当时人们对此种飞行器缺乏兴趣而停止生产。 四旋翼飞行器研究现状 图2-1 四旋翼飞行器旋翼旋转方向示意图 Fig.2-1 Four rotor aircraft rotor rotation direction 假设四轴为刚体，根据质点系动量