1、 四旋翼飞行器的设计 查重 98%四旋翼微型飞行器是一种以 4 个电机作为动力装置.通过调节电机转速来控制飞行的欠驱动系统;为了实现四旋翼微型飞行器的自主飞行控制,对飞行控制系统进行了初步设计,并且以 C8051F020 单片机为计算控制单元,给出了飞行控制系统的硬件设计,研究了设计中的关键技术;由于采用贴片封装和低功耗的元器件 ,使飞行器具有重量轻、体积小、功耗低的优点;经过多次室内试验, 该硬件设计性能可靠,能满足飞行器起飞、悬停、降落等飞行模态的控制要求.一 微小型四旋翼飞行器的发展前景 根据微小型四旋翼飞行器发展现状和相关高新技术发展趋势 ， 预计它将有以下发展前景。 1 )随着相关研
2、究进一步深入 ，预计在不久的将 来小型四旋翼飞行器技术会逐步走 向成熟与实用 。任务规划、飞行控制、无 G P S导航、 视觉和通信等子 系统将进一步健全和完善，使其具有自主起降和全 天候抗干扰稳定飞行能力 。它未来 的主要技术 指 标： 任务半径 5 k m，飞行高度 1 0 0 m，续航时间 1 h ，有效载荷约 5 0 0 g ， 完全能够填补目前国际上在该范 围内侦察手段的空白。 2 )未来的微型四旋翼飞行器将完全能够达到美国国防预研局对 M A V 基本技术指标的要 求。 随着低雷诺数空气 动力学研究 的深入 ， 以及纳米和 M E MS 技术的发展 ，四旋翼 M A V 必然取得理
3、论和工 程上的突破。它将是一种有 4 个旋翼的可飞行传感 器芯片， 是一个集成多个子系统 ( 导航与控制、 动力 与能源、 任务与通信等子系统) 的高度复杂 ME M S 系 统；不但能够在空中悬停和向任意方向机动飞行， 还 能飞临、绕过甚至是穿过 目标物体。此外 ，它还将拥有良好的隐身功能和信息传输能力。 3 )微小型四旋翼飞行器的编队飞行与作战应 在未来的战争中，微小型四旋翼飞行器 的任 务之一将是对敌方进行电子干扰并攻击其核心目标。单个微小型飞行器的有 效载荷量毕竟有限，难以有效地完成任务，而编 队飞行 与作 战不仅可以极 大地提高有效载荷量，还能够增强其突防能力。 二四旋翼飞行器的国内
4、外研究现状目前世界上存在的四旋翼飞行器基本上都属于微小型无人飞行器，一般可分为 3 类：遥控航模四旋翼飞行器、小型四旋翼飞行器以及微型四旋翼飞行器。(1)遥控航模四旋翼飞行器遥控航模四旋翼飞行器的典型代表是美国 Dfaganflyer 公司研制的Draganflyer III 和香港银辉(silverlit)玩具制品有限公司研制的 XUFO。Draganflyer III 是一款世界著名的遥控航模四旋翼飞行器，主要用于航拍。机体最大长度(翼尖到翼尖)762cm，高18cm，重 48119：旋翼直径 28cm，重 69；有效载荷 11329；可持续飞行 16-20min。Draganflyer
5、III 采用了碳纤维和高性能塑料作为机体材料，其机载电子设备可以控 1 书 14 个电机的转速。另外，还使用了 3 个压电晶体陀螺仪进行姿态增稳控制【5J。XUFO机体最大长度 685cm，高 14cm；持续飞行时间约 5min；遥控距离可达 100m。XUFO 的旋翼被置于发泡聚丙烯(EPp),tJ 成的圆环中，比 Draganflyer III 有更好的安全性471。(2)小型四旋翼飞行器世界上对小型四旋翼飞行器的研究主要集中在 3 个方面：基于惯导的自主飞行控制、基于视觉的自主飞行控制和自主飞行器系统方案，其典型代表分别是：瑞士洛桑联邦科技学院的 OS4、宾夕法尼亚大学的 HMX4 和佐
6、治亚理工大学的 GTMRASOS4 是 EPFL 自动化系统实验室开发的一种电动小型四旋翼飞行器，研究的重点是机构设计方法和自主飞行控制算法，目标是要实现室内和室外环境中的完全自主飞行。目前，该项目已经进行了两个阶段。OS4 I 最大长度约 73cm，质量为 2359g；它使用TDraganflyer III 的旋翼和十字框架，4 个 Faulhaber 1724 电机，以及一个 Xsense 的 MT9B 微惯性测量单元。研究人员通过万向节将它固定于飞行测试平台之上，使其只具有 3 个转动自由度；能源供给、数据处理、电机驱动模块以及飞行控制单元都由飞行器外部提供；至 2004 年，已经分别基
7、于多种控制算法(例如：PID、LQ、Backstepping、Slidingmode)，实现了飞行器姿态控制【67】 。OS4II 的机身最大长度 72cm，重 5209；机载 2309 的锂电池，能提供自主飞行30min 的能量。它与 OS4 I 的区别主要有：使用了桨叶面积更大的新旋翼；使用了更轻、功率更大的 LRK 无刷电机 BLDC；使用皮带减速装置代替了电机减速箱；控制器、传感器、电池和电机驱动模块等都直接安装在机体上，不再由机体外部提供。2006 年 1 月 EPFL已经实现了 OS4 II 在室内环境中基于惯导的自主悬停控制。HMX4在机构上与 Draganflyer III 相
8、似，最大长度 76cm，重约 7009，机体底部有 5 个彩色标记。地面摄像头跟踪并测量标记的位置与面积，从而计算获得飞行器的 3 个姿态角(角速率则由 3 轴陀螺仪测量获得，主要用于飞行器姿态增稳控制)和位置。研究人员将整个系统安装在一个实验平台上(该实验平台只对飞行器在水平面内的运动范围进行了限制)，实现了自主悬停控制，使用的控制算法是Backsteppingl81。最近，HMX4 研究人员又开发了一套基于机载和地面双摄像头的视觉定位与定姿系统，进一步提高了测量的精度。这种基于视觉的飞行控制方法可以很好地应用于一些特殊的任务，比如：在固定平台自主起飞与降落，与地面可移动机器人协同等。GTM
9、ARS 是佐治亚理工大学面向火星探测任务而设计的 CAD 无人机系统。它重 20kg，旋翼半径 092m，续航时问 30min。折叠封装的GTMARS 随四面体着陆器登陆火星后，能自动将机构展开；能自主起飞和降落，巡航速度可达 72kmh；另外，它还能返回到着陆器补充能量 19J(着陆器装载有太阳能电池)。(3)微型四旋翼飞行器微型飞行器(从一开始就引起了人们极大的兴趣，斯坦福大学的 Mesicopter 是目前世界最著名、最重要的 MAV 之。Mesicopter 是斯坦福大学的研究小组在 NASA 支持下，为研究微型旋翼飞行器技术而设计的。机身为 16mm16mm 方形框架；旋翼直径 15
10、cm，厚度008mm；电机直径 3ram，重量 325mg。目前已经完成了试验样机在一竿臂上的离地起飞，进一步的工作仍在继续，最终目标是实现自主飞行和多飞行器协同完成具体任务三课题研究的科学意义与发展前景飞行控制问题是微小型四旋翼无人直升机研制的关键问题，主要有两方面的困难。首先，对其进行精确建模非常困难。飞行过程中，它不但同时受到多种物理效应的作用，比如：空气动力、重力和陀螺效应等，还很容易受到气流等外部环境的干扰。因此，很难获得准确的气动性能参数，难以建立有效、准确的动力学模型。因为它的复杂性，在忽略弹性振动及变形的情况下，工程中所使用的直升机模型都是经过不同程度简化处理的，导致模型建立不
11、精确。其次，微小型四旋翼无人直升机是一个具有六个自由度，而只有四个控制输入的欠驱动系统(Underactuated System)。它具有多变量、非线性、强耦合和干扰敏感的特性，使得姿态控制器的设计变得非常困难。根据微小型四旋翼飞行器发展现状和相关高新技术发展趋势，预计它将有以下发展前景。(1)随着相关研究进一步深入，预计在不久的将来小型四旋翼飞行器技术会逐步走向成熟与实用。任务规划、飞行控制、无 GPS 导航、视觉和通信等子系统将进一步健全和完善，使其具有自主起降和全天候抗干扰稳定飞行能力。它未来的主要技术指标：任务半径5km，飞行高度 100m，续航时间 lh，有效载荷约 5009，完全能
12、够填补目前国际上在该范围内侦察手段的空白。(2)未来的微型四旋翼飞行器将完全能够达到美国国防预研局对 MAV基本技术指标【10l 的要求。随着低雷诺数空气动力学研究的深入，以及纳米和 MEMS 技术的发展，四旋翼 MAV 必然取得理论和工程上的突破。它将是一种有 4 个旋翼的可飞行传感器芯片，是一个集成多个子系统(导航与控制、动力与能源、任务与通信等子系统)的高度复杂 MEMS 系统；不但能够在空中悬停和向任意方向机动飞行，还能飞临、绕过甚至是穿过目标物体。此外，它还将拥有良好的隐身功能和信息传输能力。(3)微小型四旋翼飞行器的编队飞行与作战应用【14】 。在未来的战争中，微小型四旋翼飞行器的
13、任务之一将是对敌方进行电子干扰并攻击其核心目标。单个微小型飞行器的有效载荷量毕竟有限，难以有效地完成任务，而编队飞行与作战不仅可以极大地提高有效载荷量，还能够增强其突防能力。总之，微小型四旋翼无人直升机飞行控制技术的研究，从理论和工程的角度都具有重要意义。四微小型四旋翼飞行器发展的关键技术 迄今为止 ， 微小型 四旋翼 飞行 器基础理论与实 验研究 已取得较大进展 ， 但要真正走 向成熟与实用 ， 还面临着诸多关键技术的挑战。 1 最优化总体设计 进行微小型四旋翼飞行器总体设计时，需要遵循以下原则： 重量轻、尺寸小、速度快、能耗和成本低。但这几项原则相互之间存在着制约与矛盾， 例如：飞行器 重
14、量相同时，其尺寸与速度、 能耗成反比 。因此， 进 行微小型四旋翼飞行器总体设计时， 首先要根据性能 和价格选择合适的机构材料，尽可能地减轻飞行器重量；其次，需要综合考虑重量、尺寸、飞行速度和能耗等 因素，确保实现总体设计的最优化。 2 动力与能源 动力装置包括 ：旋翼、微型直流电机 、减速箱、光电码盘和电机驱动模块，能量由机载电池提供。微小型四旋翼飞行器的重量是影响其尺寸的主要因素，而动力与能源装置的重量在整个机体重量中占 了很大比例。对于 0 S 4 I I ，该比例就高达 7 5 。 因此，研制更轻、更高效的动力与能源装置是进一步微小型化四旋翼飞行器的关键。 另一方面，动力装置产生升力时
15、，消耗了绝大部分机载能量。例如，0 S 4 I I 的电能有 9 1 被动力装置消耗。要提高飞行器的效率，关键在于提高动力装置的效率。除尽量提高机械传动效率外，还必须选择合适的电机与减速比在兼顾最大效率和最大输出功率两项指标的前提下将电机工作点配置在推荐运行区域内。3 数学模型的建立 为实现对微小型四旋翼飞行器的有效控制，必须准确建立其在各种飞行状态下的数学模型。但是飞行过程中，它不仅同时受到多种物理效应 的作用 ( 空气动力、 重力 、 陀螺效应 和旋翼惯量矩等 ) ， 还很 容易受到气流等外部环境的干扰 。因此，很难建立有效、 可靠的动力学模型。此外，所使用的旋翼尺 寸小、质量轻 、易变形
16、 ， 很难获得准确的气动性能参 数，也将直接影响模型的准确性。建立四旋翼 M A V 数学模型时，还必须深入研究和解决低雷诺数条件下旋翼空气动力学问题。微型飞行器空气动力学特性与常规飞行器有很大的不 同，当前许多空气动力学理论和分析工具均不适用，需要发展新的理论和研究手段- - 。 4 飞行控制 微小型四旋翼飞行器是一个具有六自由度( 位 置与姿态 ) 和 4 个控制输入( 旋翼转速) 的欠驱动系 统( U n d e r a c t u a t e d S y s t e m) u ， 具有多变量、非线性 、强 耦合和干扰敏感的特性， 使得飞行控制系统的设计 变得非常困难 。此外 ，控制器性
17、能还将受到模型准 确性和传感器精度的影响。 姿态控制是整个飞行控制的关键，因为微小型 四旋翼飞行器的姿态与位置存在直接耦合关系( 俯 仰 横滚直接引起机体向前后 左右移动) ， 如果能精 确控制飞行器姿态 ， 则采用 P I D 控制律就足以实现 其位置与速度控制。国际相关研究都着重进行了姿 态控制器的设计与验证， 结果表明： 尽管采用非线性 控制律能够获得很好的仿真效果 ， 但由于对模型准确性有很强的依赖， 其实际控制效果反而不如 P I D 。因此 ， 研制既能精确控制飞行器姿态， 又具 有较强抗干扰和环境 自适应能力的姿态控制器是微小型四旋翼飞行器飞行控制系统研究的当务之急。五四旋翼飞行
18、器的结构形式和工作原理：1.结构形式直升机在巧妙使用总距控制和周期变距控制之前，四旋翼结构被认为是一种最简单和最直观的稳定控制形式。但由于这种形式必须同时协调控制四个旋翼的状态参数，这对驾驶员认为操纵来说是一件非常困难的事，所以该方案始终没有真正在大型直升机设计中被采用。这里四旋翼飞行器重新考虑采用这种结构形式，主要是因为总距控制和周期变距控制虽然设计精巧，控制灵活，但其复杂的机械结构却使它无法再小型四旋翼飞行器设计中应用。另外，四旋翼飞行器的旋翼效率相对很低，从单个旋翼上增加拉力的空间是非常有限的，所以采用多旋翼结构形式无疑是一种提高四旋翼飞行器负载能力的最有效手段之一。至于四旋翼结构存在控制量较多的问题，则有望通过设计自动飞行控制系统来解决。四旋翼飞行器采用四个旋翼作为飞行的直接动力源，旋翼对称分布在机体的前后、左右四个方向，四个旋翼处于同一高度平面，且四个旋翼的结构和半径都相同，旋翼 1 和旋翼 3 逆时针旋转，旋翼 2 和旋翼 4 顺时针旋转，四个电机对称的安装在飞行器的支架端，支架中间空间安放飞行控制计算机和外部设备。四旋翼飞行器的结构形式如图 1.1 所示。四旋翼飞行器的结构图（2）2.工作原理典型的传统直升机配备有一个主转子和一个尾桨。他们是通过控制舵机来改变螺旋桨的桨距角，从而控制直升机的姿态和位置。四
