小型多旋翼無人直升機(jī)簡介

1、國內(nèi)外研究現(xiàn)狀,世界上的分類： ?遙控航模四旋翼飛行器 ?小型四旋翼飛行器 ?微型四旋翼飛行器,國際上已經(jīng)對微小型四旋翼無人直升機(jī)進(jìn)行了相當(dāng)廣泛和深入的研究，但在國內(nèi)，目前還沒有開展過這一方面的研究,國內(nèi)外研究現(xiàn)狀,遙控航模四旋翼飛行器 遙控航模四旋翼飛行器的典型代表是美國Draganflyer公司研制的DraganflyerⅢ。它是一款世界著名的遙控航模四旋翼飛行器，主要用于航拍。,國內(nèi)外研究現(xiàn)狀,小

2、型四旋翼飛行器 世界上對小型四旋翼飛行器的研究主要集中在三方面：基于慣導(dǎo)的自主飛行控制、基于視覺的自主飛行控制和自主飛行器系統(tǒng)方案，其典型代表分別是:瑞士洛桑聯(lián)邦科技學(xué)院（EPFL）的OS4、賓夕法尼亞大學(xué)的HMX4 和佐治亞理工大學(xué)的GTMARS。,微型四旋翼飛行器 斯坦福大學(xué)的Mesicopter是利用多旋翼式總體布局方式實(shí)現(xiàn)微型飛行器（Micro Aerial Vehicle）的一次富有開創(chuàng)性意義的探索。

3、 Mesicopter 是一種微型四旋 翼飛行器，是是加上最著名、 最重要的微型飛行器之一。,國內(nèi)外研究現(xiàn)狀,在國內(nèi)，清華大學(xué)、上海交大、國防科大、北航、南航等高校都有對無人直升機(jī)的相關(guān)研究。,國內(nèi)外研究現(xiàn)狀,國防科技大學(xué)機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室于2004年開展了微小型四旋翼無人直升機(jī)的相關(guān)技術(shù)研究，自行設(shè)計(jì)、制作原型樣機(jī)和齒輪減速裝置,原型樣機(jī),齒輪減速裝置,上海交通大學(xué)工程中心試驗(yàn)室也開展了四旋翼無人直升機(jī)的相關(guān)

4、技術(shù)研究。其大致結(jié)構(gòu)模型如圖所示。四只旋翼對稱地安裝于矩形框的內(nèi)部，分為順時(shí)針和逆時(shí)針兩組，以相互抵消反扭力，而這樣的框架結(jié)構(gòu)可以避免旋翼達(dá)到周圍的事物而引起危險(xiǎn)，通過改變轉(zhuǎn)速則可以控制直升機(jī)升降和轉(zhuǎn)彎等等。,國內(nèi)外研究現(xiàn)狀,根據(jù)直升機(jī)的不同功能作用，還可以在矩形框架上裝上各類傳感器、攝像頭等等,數(shù)學(xué)建模,建立四旋翼無人直升機(jī)的數(shù)學(xué)模型，關(guān)鍵在于準(zhǔn)確建立起旋翼空氣動力學(xué)模型。旋翼飛行器的氣動環(huán)境較為復(fù)雜，其氣動力在本質(zhì)上是非線性和非定常

5、的，目前常采用的研究旋翼氣動特性的方法有：動量理論、葉素理論、渦流理論及其他新型流體力學(xué)方法、流場計(jì)算方法，如Euler或NS方程等。,旋翼的相對氣流,槳葉的相對氣流,微型四旋翼無人直升機(jī)的運(yùn)動可以看成是六個(gè)自由度的剛體運(yùn)動，包含三個(gè)軸的轉(zhuǎn)動（偏航、俯仰和滾動）和重心沿三個(gè)軸的線運(yùn)動（進(jìn)退、左右側(cè)飛和升降）,數(shù)學(xué)建模,微小型四旋翼無人直升機(jī)的空氣動力和力矩,飛行控制,基于Backstepping的微小型四旋翼無人直升機(jī)控制,微小型四旋

6、翼無人直升機(jī)具有空間六自由度，而只能通過調(diào)節(jié)四個(gè)旋翼的轉(zhuǎn)速來實(shí)現(xiàn)飛行控制，顯然它是一個(gè)驅(qū)動系統(tǒng)。這類系統(tǒng)的特點(diǎn)是：可由較少的控制輸入確定其在比控制輸入空間維數(shù)大的位形空間內(nèi)的運(yùn)動；難點(diǎn)在于：直接激勵(lì)部分的自由度和欠驅(qū)動部分的自由度相互間是非線性耦合的。 目前，針對微小型四旋翼無人直升機(jī)，國際上采用的控制方法包括：反步法（Backstepping）、反饋線性化等，其中應(yīng)用最多的是Backstepping。,飛行控制,Back

7、stepping方法,Backstepping是非線性系統(tǒng)控制器設(shè)計(jì)最常用的方法之一，是將Lyapunov函數(shù)的選取與控制器的設(shè)計(jì)相結(jié)合的一種回歸設(shè)計(jì)方法。它通過從系統(tǒng)的最低階次微分方程開始，引入虛擬控制概念，一步一步設(shè)計(jì)滿足要求的虛擬控制，最終設(shè)計(jì)出真正的控制律。,飛行控制,Backstepping方法,微小型四旋翼無人直升機(jī)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu),飛行控制,Backstepping方法,仿真實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)微小型四旋翼無人直升機(jī)Backsteppin

8、g控制器的控制性能。通過調(diào)節(jié)控制器的參數(shù)，可以實(shí)現(xiàn)定點(diǎn)懸?？刂?，達(dá)到跟蹤誤差小、調(diào)節(jié)時(shí)間短的性能指標(biāo)；軌跡跟蹤試驗(yàn)結(jié)果說明控制器具有良好的跟蹤性能；對于傳感器噪聲和旋翼轉(zhuǎn)速短時(shí)突變的情形，仿真結(jié)果證明Backstepping方法具有一定的魯棒性，克服了傳統(tǒng)控制方法中的閉環(huán)系統(tǒng)缺乏魯棒性的缺點(diǎn)。 缺點(diǎn)在于，控制器結(jié)果復(fù)雜，對狀態(tài)反饋量要求很高，控制性能很大程度依賴于對象模型的精度，這些將嚴(yán)重限制其實(shí)用化。,飛行控制,基于AD

9、RC的微小型四旋翼無人直升機(jī)控制,自抗擾控制器（Actived Disturbance Rejection Controller）已經(jīng)歷了20多年的發(fā)展歷程，如今在控制界具有一定知名度。 ADRC提出“觀測+補(bǔ)償”的方法，有效處理系統(tǒng)中的非線性與不確定性問題，同時(shí)配合非線性的反饋方式，提高控制器的動態(tài)性能。,ADRC結(jié)構(gòu)圖,飛行控制,ADRC,ADRC能夠動態(tài)補(bǔ)償系統(tǒng)模型擾動和外擾，魯棒性很強(qiáng)，可應(yīng)用于多種非線性系統(tǒng)的控

10、制。目前為止，ADRC已在許多復(fù)雜非線性控制問題中得到成功的應(yīng)用，如：戰(zhàn)斗機(jī)超機(jī)動飛行控制、船舶減搖器控制、某型導(dǎo)彈控制等等。,基于ADRC的飛行控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu),飛行控制,ADRC,經(jīng)仿真實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)分析，ADRC控制器可以很好地實(shí)現(xiàn)姿態(tài)增穩(wěn)和高度控制，具有調(diào)節(jié)時(shí)間短、超調(diào)量小、魯棒性好的優(yōu)點(diǎn)。 但ADRC控制器也有結(jié)構(gòu)復(fù)雜、參數(shù)多、難整定的缺點(diǎn)。,參考文獻(xiàn)：微小型四旋翼無人直升機(jī)建模及控制方法研究 工學(xué)碩士學(xué)位論文 工學(xué)碩