1、目 录第一章 选题背景和意义 .11.1 选题背景 .11.2 国内外研究现状及发展动态 .21.3 四旋翼飞行控制器设计方法 .61.4 论文选题的意义 .7第二章 研究方案 .82.1 研究目标 .82.2 研究内容 .82.2.1 四旋翼飞行器的基本结构和飞行原理 .82.2.2 四旋翼无人机自主飞行的控制 .122.2.4 四旋翼无人机稳定控制算法实用性分析 .142.3 拟解决的关键问题 .142.3.1 无人机数学模型的建立与仿真 .142.3.2 四旋翼自主飞行抗扰控制器的设计与仿真 .152.4 拟采取的研究方法及技术路线 .162.4.1 四旋翼无人机数学模型的建立 .162
2、.4.2 四旋翼自主飞行抗扰控制器的设计与仿真 .182.5 可行性分析 .20第三章 预期研究成果与计划安排 .213.1 预期研究成果 .213.2 计划安排 .21参考文献 .22硕士学位论文开题报告1第一章 选题背景和意义1.1 选题背景无人机（Unmanned Aerial Vehicles, UAV） ，通过在机体内装备的自主程序控制飞行或根据地面控制站无线遥控设备的操纵指令控制飞行。近年来，以其体积小、成本低、适应性强、机动性隐蔽好、可重复使用、可替代人执行危险性大的作战任务等特点成为国内外研究的热点，并逐渐在军事、民用等诸多领域展现出巨大的应用潜力 1。通常无人机分为旋翼式无人
3、飞行器和固定式无人飞行器 2。固定式无人飞行器出现的较早，自 20 世纪 60 年代初，美国首次使用无人机进行军事探查，并在之后的战争中起到巨大的效果，如参与中东海湾战争的“先锋” 舰载无人机、科索沃战争的 “掠夺者”无人机、阿富汗战争和伊拉克战争中的“捕食者” 和“死神” 系列无人机、 “全球鹰”战略无人侦察机 3。随着微机电、通信、新材料和控制方法等科技的完善和研究，使得早期旋翼式无人飞行器相对复杂的工程应用找到了有效的解决方式，并且能够更好地满足如今越发复杂化的作战环境和要求。旋翼式无人机较固定式无人机具有突出优势，它能够在狭小的空间范围中实现悬停 4，垂直升降（VTOL, Vertic
4、al Take Off and Landing） ，灵活度好，结构简单。本课题主要研究的对象是微小型旋翼式无人飞行器四旋翼（Quadrotor） 。该飞行器的四个旋翼和四个电机分别固定在具有中心对称结构的十字架结构机身的四个端点。改变四个电机的转速从而改变升力，实现四旋翼飞行器的轨迹和姿态控制 5。与单旋翼式无人飞行器相比，四旋翼飞行器布局简单，易于控制，在飞行稳定性和可操纵性上更加突出。此外，噪声小，制造精度低，隐蔽性好以及在狭小空间中完成飞行任务等优点，使得四旋翼拥有更加大的应用潜力。但是，微小型四旋翼飞行器是一种非完整约束的二阶欠驱动强耦合系统，在飞行过程中，四旋翼无人飞行器可以通过调节
5、四个螺旋桨的转速直接控制其姿态角度和飞行高度，而对于飞行器的水平位置，只能通过飞行器姿态角度与水平位置之间的耦合关系来间接控制，因此实现四旋翼无人飞行器三个方向的位置控制具有较大的难度。除此之外，由于四旋翼无人飞行器体积小并且重量轻，在飞行过程中空气阻力和阻力矩对其影响比较大，因此在设计飞行控制器时还需要考虑到时变的外部干扰问题。除外界扰动以外，在每次飞行中，不同的负载导致飞行器的重量以及转动惯量也都会有很大程度上的差别。由于四旋翼无人飞行器的动力学模型相对复杂，其动力学模型中的一些空气动力学参数硕士学位论文开题报告2很难准确测量，这些不确定性进一步增加了飞行控制系统设计的难度。使得传统的控制
6、算法无法理想地解决这些问题，也就更加难以在工程实践中达到良好控制效果。无人机除了在飞行过程中除需要调节至指定位置及姿态以外，另外在一些特殊应用场景下，比如执行一定路径下的航拍任务或者在信号干扰较为强的区域进行巡航任务，对其路径进行预先的路径规划以及执行对此路径的跟踪具有很重要的现实意义。但是，由于无人机在对路径跟踪时，会受到来自环境中侧风，无人机结构气动参数建模不精准以及执行结构的时延的影响，导致无人机最后无法按照预先设定的路线进行。因此需要利用飞行器实时位姿信号反馈来控制飞行器跟踪预定轨迹来实现四旋翼无人飞行器轨迹跟踪控制。因此，各种各样针对四旋翼的轨迹跟踪和飞行控制方法被研究提出，例如反步
7、法 67，反馈线性化 89和 PID10等。由此可见针对微型四旋翼飞行器在复杂环境下，满足特殊飞行要求时的轨迹实现稳定的跟踪控制的研究具有一定的理论意义和实用价值。1.2 国内外研究现状及发展动态四旋翼飞行器的概念最早是由 Breguet 兄弟实现的，在 19 世纪初期，他们研制了第一架四旋翼飞行器，被称为 Breguet-Richet“旋翼机 1 号”（如图 1.1） ，焊接的四根钢管构成十字交叉分布是该旋翼机的主机体框架。1907 年 9 月， “旋翼机 1 号” 实现了旋翼机携带驾驶员的首次升空 11。虽然第一架四旋翼飞行器没有实现稳定飞行，但极大的推进了四旋翼飞行器的发展。图 1.1
8、Breguet-Richet“旋翼机 1 号”1956 年，在纽约的 Amitycille，Convertawings 制造了一架具有两个发动机的四旋翼飞行器（如图 1.2） ，通过改变每个螺旋桨的转速来产生推力，进而实现该飞行器的飞行。硕士学位论文开题报告3图 1.2 Convertawings 的四旋翼飞行器那段时期大多以载人四旋翼飞行器为主，原型机的性能和稳定性较差，操作性能和实用性能都很低，所以在后来的数十年中旋翼无人机几乎停止发展。直到近十几年来，随着先进控制理论、空气动力学理论、微电子技术以及材料技术等相关学科的发展，再次掀起了以四旋翼无人飞行器为代表的多旋翼无人飞行器的研究热潮，
9、并取得了大量的成果。美国宾夕法尼亚大学 GRASP 实验室设计的四旋翼无人机不仅能够在室内实现稳定飞行、壁障及目标识别等功能，还可以实现编队协同任务（如图 1.3） 。该小组摒弃了传统的传感器装置，加入红外传感器和摄像头以协助惯性测量单元进行飞行器姿态与位置信息的获取，取得了良好的控制效果 12。图 1.3 宾夕法尼亚大学研制的四旋翼无人机及编队试验斯坦福大学的无人机研究小组开展了关于四旋翼无人机的多智能体控制自主旋翼飞行器平台计划（STARMAC） ，该小组先后设计了两套名为 STARMAC I 型和STARMAC II 型的四旋翼无人机系统（如图 1.4） ，均具有上下层控制结构，载重量可
10、硕士学位论文开题报告4达 1kg，传感器采用了 IMU、GPS 、声纳等模块，能够与地面站之间进行无线通讯 1314。图 1.4 斯坦福大学的 STARMAC I 型和 STARMAC II 型此外，基于美国航空航天局的支持，斯坦福大学 IIan Kroo 和 Fritz 团队发展了Mesicopter 项目（如图 1.5） 。该项目研制了具有四个旋翼控制的微型无人机，其具有方形结构，机身尺寸仅为 1616mm，是 Mesicopter 无人机是世界上最著名的微型飞行器之一，并且为微型无人机的研究提供了一种新的思路7。图 1.5 Mesicopter 微型四旋翼无人机麻省理工学院（MIT）对四
11、旋翼无人飞行器（如图 1.6）的研究较早，开展了无人机集群健康管理计划（UAV Swarm Health Management Project，UAV SHMP） 15。主要是使用地面遥控设备实现多架无人机在动态环境中协同合作并执行任务。MIT 四旋翼无人机安装有 IMU 惯性测量单元反馈姿态信息，以及可对周围环境感知、重建的激光扫描阵列，从而规划航迹。在 2007 年，MIT 已经实现利用一台地面设备控制多架四旋翼无人机协同监督和追踪地面车辆目标（如图 1.7） 。另外，该项目还实现了多硕士学位论文开题报告5机协同和编队飞行（如图 1.8）等实验。图 1.6 MIT 四旋翼无人机 图 1.7
12、 多无人机协同跟踪实验图 1.8 MIT 多无人机编队飞行实验多旋翼无人机不仅在许多国家的高校与科研机构得到广泛的研究，越来越多的多旋翼无人机研制公司也逐渐壮大起来，在民用领域得到了广泛的应用。一款研制较早并非常具有代表性的遥控四旋翼无人机是加拿大 Draganflyer Innovations 公司制造，命名为 Draganflyer X-4（如图 1.9） 。该四旋翼无人机采用碳纤维作为机体材料，整机重量 481.1g，可载重 113.2g，持续飞行 16 至 20 分钟。利用机载的 3 个压电晶体陀螺仪提供自身姿态信息，而机载电子设备可利用这些信息调节 4 个电机的转速进行飞行器的姿态稳
13、定控制。图 1.9 Draganflyer X-4 无人机 图 1.10 MD4-200 无人机图 1.10 的 MD4-200 四旋翼无人机是德国 MICRODRONES 公司采用碳纤维材质制作而成，使用盘式直流无刷电机进行驱动，以及锂电池供电。在室内和室外可实现稳硕士学位论文开题报告6定飞行与定点悬停，自推出后在欧洲市场取得巨大的成功，但主要是通过地面的操作人员进行遥控飞行。从上述可以看出，许多国外许多研究机构成功开发了具备在简单约束环境中自主飞行能力的四旋翼无人机，但是发展在复杂环境中全自主飞行仍然是个挑战。1.3 四旋翼飞行控制器设计方法无人机的精确航迹跟踪是实现无人机自主飞行的基本要
14、求。由于四旋翼无人机存在姿态与平动的耦合关系，因此实现姿态的稳定控制是实现轨迹有效稳定跟踪的关键。对此近十年来，对于四旋翼无人机的姿态控制与轨迹跟踪控制的研究获得了众多的研究成果。Zheng 等人 16将四旋翼无人机分为全驱动与欠驱动两个子系统，分别采用一种鲁棒终端滑模控制算法与欠驱动滑模控制算法进行轨迹控制，通过仿真实验证明两个算法的复合控制在外界干扰情况下具有准确的轨迹跟踪效果。S. S. Cruz 等人 17首先利用 Lagrange 方程构建四旋翼飞行器的动力学模型，接下来设计了基于 Lyapunov分析的嵌套式饱和轨迹跟踪控制算法，并证明了系统的稳定性，通过实验表明控制算法的有效性。
15、Gomez Balderas 等人 18提出了基于视觉控制的四旋翼飞行器，首先采用牛顿- 欧拉公式建立动力学模型，使用相机估计飞行器的速度与位置，并引入非线性饱和控制，最终通过实验证明了控制策略的有效性。Gonzalez I 等人 19提出了基于直流无刷电机速度反馈的姿态稳定控制器，内环控制电机速度，外环控制四旋翼无人机的姿态，并保证了闭环系统的稳定性，最终通过实验证明了该算法具有良好的姿态控制效果。此外，还有大量的控制算法被应用于四旋翼无人机系统控制中 20。受到加工工艺水平以及安装过程的影响，实际的四旋翼无人机系统参数与理论计算的模型之间存在一定的偏差，尤其加入负载后，会出现质量的变化以及
16、飞行器重心位置的偏移，这些给建立精确的四旋翼无人机模型带来了困难。另外，在执行飞行任务中，往往处于一种复杂多变的飞行环境，如何克服未知的环境因素的影响，保证稳定、安全的飞行也是重要的控制研究问题。因此，需要设计更为鲁棒的姿态稳定控制器与航迹跟踪控制器才适合于实际工程应用。针对四旋翼无人机的鲁棒控制，学者们已取得了一定的研究成果。Besnard L 等人 21考虑到了外界干扰以及四旋翼无人机的模型不确定性，提出了一种鲁棒滑模算法，该算法无高控制增益，并且计算量不大。Raffo 等人 22提出了一种积分预测非线性鲁棒控制策略，采用模型预测控制跟踪四旋翼硕士学位论文开题报告7无人机的期望轨迹，非线性
17、 控制器稳定飞行器的姿态内环，并且考虑了空气动力学H干扰与模型参数不确定性进行了仿真实验的验证。Mu Huang 等 23针对具有模型参数不确定性的欠驱动四旋翼飞行器，设计了一种基于反步法的自适应控制算法，补偿了由质量不确定带来的影响，最终通过仿真实验证实该算法的有效性。Satici 等人 24针对四旋翼无人机存在系统参数不确定性以及测量噪声问题，提出了一种基于 L1 最优控制器，从而使得四旋翼无人机系统关于干扰具有 增益最小，并利用仿真实验证实了该L算法具有良好的轨迹跟踪控制结果。1.4 论文选题的意义四旋翼无人机以其驱动力高，灵活性强以及适用场合广的特点而广泛应用于各个特殊领域，它可以代替
18、人去执行一些相对难度较高，危险度较大的任务。准确地执行这些任务的前提便是对四旋翼无人机自主飞行的姿态和轨迹进行稳定的控制。在军用领域可以应用于：军事盲区的信息获取、目标监视、敏感区域的自动监测以及特定目标的定点清除等。在山区等复杂环境下的局部战争和冲突中，四旋翼无人机可作为侦察和攻击性的飞行平台。此外，将四旋翼无人机装载在坦克和装甲车等传统武器上，可大大提高作战效能。在民用领域可以应用于：公安和警用中进行搜寻和营救，在恶劣气候条件、火灾、地震自然灾害发生时、或有毒物质泄漏等环境中，四旋翼无人机能够迅速在大范围内进行搜索，提供实时有效信息，减少人员伤亡。此外，四旋翼无人机可以协助警方追捕、搜索和
19、监视犯罪分子，零风险的了解犯罪分子的具体情况，必要时还可配带激光非杀伤性武器和化学失能剂武器完成对任务对象的“ 点杀” 和“面除”。利用四旋翼无人机平台能够对交通状况进行低成本并且高效率的监视，对高压输电线路、石油管线等进行巡查，及时了解故障状况，赢取抢修时间。在农业方面，四旋翼无人机能够携带种子、肥料、农药等进行农田的播种、施肥、喷洒农药工作，带载光谱仪器的该无人机低空飞行可及时发现病虫害或预估农业产量，配合农民提前做好部署。在新闻现场，四旋翼无人机可以从高空进行任意角度的拍摄，获取全面直观的新闻照片与视频。另外，还可应用于航空测绘、空中考古、天气预报、野生动植物观察、房地产管理等众多民用场
20、合。硕士学位论文开题报告8目前无人机实现自主飞行控制的大多数使用的是基于视觉的方法对位姿进行估计或是在室内进行标定的前提下进行实验，无法满足在复杂场景下自主飞行的需求，自然。因此对于四旋翼无人机的自主的姿态稳定控制和轨迹跟踪的研究具有广泛的实用意义。硕士学位论文开题报告9第二章 研究方案2.1 研究目标本学位论文的研究目标分为以下三个方面：1、建立的四旋翼无人机的数学模型是控制飞行器的基础，因此，需要根据其物理结构，空气动力学建立具有一定实际物理意义的动力模型，为进一步的精确姿态与航迹跟踪控制研究奠定良好基础。现有的大多是对基于其结构的动力学模型进行分析，但是，由于传感单元和执行单元的特征导致
21、了其存在着动态误差，所以，也需要建立较为符合实际情况的动态模型以实现更加精准的控制。2、作为一种实际工程应用的飞行器，四旋翼无人机在执行任务中需要面对复杂的飞行环境以及自身结构存在的不稳定。因此，结合飞行器的自身特点，设计具有强鲁棒性的姿态稳定控制器以及航迹跟踪控制器是实现自主飞行控制的基础。针对复杂的飞行环境，设计准确有效的补偿器并对自抗干扰效果进行仿真研究和优化。2.2 研究内容2.2.1 四旋翼飞行器的基本结构和飞行原理四旋翼无人机一般是由检测模块，控制模块，执行模块以及供电模块组成。检测模块实现对当前姿态进行量测；执行模块则是对当前姿态进行解算，优化控制，并对执行模块产生相对应的控制量；供电模块对整个系统进行供电，如图 2.1 所示。如图 2.2 所示，四旋翼无人机机身是由对称的十字形刚体结构构成，材料多采用质量轻、强度高的碳素纤维；在十字形结构的四个端点分别安装一个由两片桨叶组成的旋翼为飞行器提供飞行动力，每个旋翼均安装在一个电机转子上，通过控制电机的转动状态控制每个旋翼的转速，来提供不同的升力以实现各种姿态；每个电机均又与电机驱动部件、中央控制单元相连接，通过中央控制单元提供的控制信号来调节转速大小；IMU 惯性测量单元为中央控制单元提供姿态解算的数据，机身上的检测模块为无人机提供了解自身位姿情况最直接的数据，为四旋翼无人机最终实现复杂环境下的自主飞行提供了保障。
