四旋翼無人飛行器控制技術(shù)1

1、四旋翼無人飛行器控制技術(shù)四旋翼無人飛行器控制技術(shù)1、自動控制系統(tǒng)的預(yù)備知識、自動控制系統(tǒng)的預(yù)備知識2、四旋翼飛行器概述、四旋翼飛行器概述3、飛行原理、飛行原理4、四軸飛行器組成、四軸飛行器組成5、控制方法、控制方法在沒有人直接參與的情況下，利用外加的設(shè)備或裝置（稱為控制裝置或控制器），使機(jī)器、設(shè)備或生產(chǎn)過程（通稱被控對象）的某個工作狀態(tài)或參數(shù)（即被控量）自動地按照預(yù)定的規(guī)律運(yùn)行。自動控制自動控制自數(shù)控機(jī)床、室內(nèi)溫度控制、機(jī)車、船舶及飛機(jī)自動駕駛、導(dǎo)彈制導(dǎo)等等。應(yīng)用領(lǐng)域應(yīng)用領(lǐng)域人工控制恒溫箱過程人工控制恒溫箱過程 觀察恒溫箱內(nèi)的溫度（被控制量） 與要求的溫度（給定值）進(jìn)行比較。得到溫度偏差的大小

2、和方向 根據(jù)偏差大小和方向調(diào)節(jié)調(diào)壓器，控制加熱電阻絲的電流以調(diào)節(jié)溫度回復(fù)到要求值。 檢測偏差再糾正偏差恒溫箱自動控制系統(tǒng)框圖恒溫箱自動控制系統(tǒng)框圖恒溫箱自動控制系統(tǒng)工作原理恒溫箱自動控制系統(tǒng)工作原理恒溫箱實(shí)際溫度由熱電偶轉(zhuǎn)換為對應(yīng)的電壓恒溫箱實(shí)際溫度由熱電偶轉(zhuǎn)換為對應(yīng)的電壓u2恒溫箱期望溫度由電壓恒溫箱期望溫度由電壓u1給定，并與實(shí)際溫度給定，并與實(shí)際溫度u2比較得到溫度偏差信號比較得到溫度偏差信號u=u1-u2溫度偏差信號經(jīng)電壓、功率放大后，用以驅(qū)動執(zhí)溫度偏差信號經(jīng)電壓、功率放大后，用以驅(qū)動執(zhí)行電機(jī)，并通過傳動機(jī)構(gòu)拖動調(diào)壓器動觸頭。當(dāng)行電機(jī)，并通過傳動機(jī)構(gòu)拖動調(diào)壓器動觸頭。當(dāng)溫度偏高時，動觸

3、頭向減小電流的方向運(yùn)動，反溫度偏高時，動觸頭向減小電流的方向運(yùn)動，反之加大電流，直到溫度達(dá)到給定值為止，此時，之加大電流，直到溫度達(dá)到給定值為止，此時，偏差偏差u=0，電機(jī)停止轉(zhuǎn)動。，電機(jī)停止轉(zhuǎn)動。恒溫箱自動控制系統(tǒng)功能框圖恒溫箱自動控制系統(tǒng)功能框圖從恒溫箱控制系統(tǒng)功能框圖可見從恒溫箱控制系統(tǒng)功能框圖可見給定量位于系統(tǒng)的輸入端，稱為系統(tǒng)輸入量。也給定量位于系統(tǒng)的輸入端，稱為系統(tǒng)輸入量。也稱為參考輸入量（信號）稱為參考輸入量（信號）被控量位于系統(tǒng)的輸出端，稱為系統(tǒng)輸出量。被控量位于系統(tǒng)的輸出端，稱為系統(tǒng)輸出量。輸出量（全部或一部分）通過測量裝置返回系統(tǒng)輸出量（全部或一部分）通過測量裝置返回系統(tǒng)的

4、輸入端，使之與輸入量進(jìn)行比較，產(chǎn)生偏差（的輸入端，使之與輸入量進(jìn)行比較，產(chǎn)生偏差（給定信號與返回的輸出信號之差）信號。輸出量給定信號與返回的輸出信號之差）信號。輸出量的返回過程稱為反饋。返回的全部或部分輸出信的返回過程稱為反饋。返回的全部或部分輸出信號稱為反饋信號。號稱為反饋信號?？刂葡到y(tǒng)的工作原理控制系統(tǒng)的工作原理檢測輸出量（被控制量）的實(shí)際值檢測輸出量（被控制量）的實(shí)際值將輸出量的實(shí)際值與給定值（輸入量）進(jìn)將輸出量的實(shí)際值與給定值（輸入量）進(jìn)行比較得出偏差；行比較得出偏差；用偏差值產(chǎn)生控制調(diào)節(jié)作用去消除偏差，用偏差值產(chǎn)生控制調(diào)節(jié)作用去消除偏差，使得輸出量維持期望的輸出使得輸出量維持期望的輸

5、出由于存在輸出量反饋，上述系統(tǒng)能在存在由于存在輸出量反饋，上述系統(tǒng)能在存在無法預(yù)計(jì)擾動的情況下，自動減少系統(tǒng)的無法預(yù)計(jì)擾動的情況下，自動減少系統(tǒng)的輸出量參與輸入量（或者任意變化的希望輸出量參與輸入量（或者任意變化的希望的狀態(tài)）之間的偏差，故稱之為反饋控制的狀態(tài)）之間的偏差，故稱之為反饋控制顯然：反饋控制建立在偏差基礎(chǔ)上，其控顯然：反饋控制建立在偏差基礎(chǔ)上，其控制方式是制方式是“檢測偏差再糾正偏差檢測偏差再糾正偏差”這種基于反饋原理，能對輸出量與參考輸這種基于反饋原理，能對輸出量與參考輸入量進(jìn)行比較，并力圖保持兩者之間既定入量進(jìn)行比較，并力圖保持兩者之間既定關(guān)系的系統(tǒng)。稱為反饋控制系統(tǒng)，反饋控關(guān)

6、系的系統(tǒng)。稱為反饋控制系統(tǒng)，反饋控制系統(tǒng)具有量測、比較和執(zhí)行三個基本功制系統(tǒng)具有量測、比較和執(zhí)行三個基本功能能注意注意反饋控制系統(tǒng)中，反饋信號是與給定信號反饋控制系統(tǒng)中，反饋信號是與給定信號相減，使偏差越來越小，稱為負(fù)反饋。負(fù)相減，使偏差越來越小，稱為負(fù)反饋。負(fù)反饋控制是實(shí)際自動控制最基本的方法。反饋控制是實(shí)際自動控制最基本的方法。閉環(huán)控制系統(tǒng)：按偏差進(jìn)行控制，較高的動靜態(tài)控制性能；結(jié)構(gòu)、線路復(fù)雜，系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)較復(fù)雜。開環(huán)控制系統(tǒng)（順序控制）：系統(tǒng)輸出量對系統(tǒng)的輸入量不產(chǎn)生影響，結(jié)構(gòu)簡單、調(diào)整方便、成本低自動控制系統(tǒng)的基本形式（根據(jù)有無反饋）自動控制系統(tǒng)的基本形式（根據(jù)有無反饋）優(yōu)勢優(yōu)勢垂直

7、起降垂直起降懸停、倒飛、側(cè)飛能力懸停、倒飛、側(cè)飛能力螺旋槳小，飛行安全螺旋槳小，飛行安全結(jié)構(gòu)簡單，控制靈活結(jié)構(gòu)簡單，控制靈活四旋翼結(jié)構(gòu)圖用途用途國際四旋翼無人直升機(jī)研究方向國際四旋翼無人直升機(jī)研究方向基于慣性導(dǎo)航的自主飛行控制基于慣性導(dǎo)航的自主飛行控制基于視覺導(dǎo)航的自主飛行控制基于視覺導(dǎo)航的自主飛行控制多智能體群控制多智能體群控制3、四旋翼飛行原理（以、四旋翼飛行原理（以MK為例）為例） 四軸飛行器有四個電機(jī)呈十字形排開，驅(qū)動四片四軸飛行器有四個電機(jī)呈十字形排開，驅(qū)動四片槳旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生推力。四電機(jī)距幾何中心距離相等，槳旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生推力。四電機(jī)距幾何中心距離相等，對角兩軸產(chǎn)生升力相同時保證力矩平衡對角兩

8、軸產(chǎn)生升力相同時保證力矩平衡 四電機(jī)一對正轉(zhuǎn)，一對反轉(zhuǎn)使得豎直軸方向旋轉(zhuǎn)四電機(jī)一對正轉(zhuǎn)，一對反轉(zhuǎn)使得豎直軸方向旋轉(zhuǎn)的反扭矩平衡，保證四軸航向的穩(wěn)定。的反扭矩平衡，保證四軸航向的穩(wěn)定。3、四旋翼飛行原理（以、四旋翼飛行原理（以MK為例）為例） Mk規(guī)定四軸電機(jī)的排布方式如圖示：前（規(guī)定四軸電機(jī)的排布方式如圖示：前（1號）號）、后（、后（2號）、右（號）、右（3號）、左（號）、左（4號）。號）。1,2號電號電機(jī)順時針方向旋轉(zhuǎn)，機(jī)順時針方向旋轉(zhuǎn)，3,4號電機(jī)逆時針旋轉(zhuǎn)。號電機(jī)逆時針旋轉(zhuǎn)。四個電機(jī)的轉(zhuǎn)速做相應(yīng)的變化即可實(shí)現(xiàn)四軸四個電機(jī)的轉(zhuǎn)速做相應(yīng)的變化即可實(shí)現(xiàn)四軸 橫向橫向、縱向、豎直方向和偏航方向上

9、的運(yùn)動。、縱向、豎直方向和偏航方向上的運(yùn)動。3、四旋翼飛行原理（前方運(yùn)動）、四旋翼飛行原理（前方運(yùn)動） 前方運(yùn)動前方運(yùn)動：3,4號號電機(jī)保持電機(jī)保持轉(zhuǎn)速不轉(zhuǎn)速不變，變，1號號電機(jī)轉(zhuǎn)速電機(jī)轉(zhuǎn)速下下降降，2號號電機(jī)轉(zhuǎn)速電機(jī)轉(zhuǎn)速上升上升，此時，此時2號電機(jī)產(chǎn)生的升力大號電機(jī)產(chǎn)生的升力大于于1號電機(jī)的升力，四軸沿幾何中心向前傾轉(zhuǎn)，槳葉號電機(jī)的升力，四軸沿幾何中心向前傾轉(zhuǎn)，槳葉升力沿升力沿縱向縱向的分力驅(qū)動四軸向前運(yùn)動。的分力驅(qū)動四軸向前運(yùn)動。3、四旋翼飛行原理（左轉(zhuǎn)）、四旋翼飛行原理（左轉(zhuǎn)） 轉(zhuǎn)左轉(zhuǎn)左：1,2號號電機(jī)保持電機(jī)保持轉(zhuǎn)速上升轉(zhuǎn)速上升，3,4號號電機(jī)轉(zhuǎn)速電機(jī)轉(zhuǎn)速下降下降，使向左的反扭矩大于向

10、右的反扭矩，四軸在反扭，使向左的反扭矩大于向右的反扭矩，四軸在反扭矩的作用下向左旋轉(zhuǎn)。矩的作用下向左旋轉(zhuǎn)。3、四旋翼飛行原理（左轉(zhuǎn)）、四旋翼飛行原理（左轉(zhuǎn)） 四個槳產(chǎn)生的推力，超過或者低于四軸本身重力的四個槳產(chǎn)生的推力，超過或者低于四軸本身重力的時候能夠?qū)崿F(xiàn)豎直方向上升與下降的運(yùn)動，當(dāng)槳的時候能夠?qū)崿F(xiàn)豎直方向上升與下降的運(yùn)動，當(dāng)槳的升力與四軸本身的重力相等的時候即實(shí)現(xiàn)懸停。升力與四軸本身的重力相等的時候即實(shí)現(xiàn)懸停。4、MK版四軸飛行器組成版四軸飛行器組成 一個飛控板，四個無刷電機(jī)電調(diào)、四個無刷電機(jī)一個飛控板，四個無刷電機(jī)電調(diào)、四個無刷電機(jī)、一對正槳，一對反槳，一個機(jī)身，一塊鋰電（、一對正槳，一對反槳，一個機(jī)身，一塊鋰電（34節(jié)），一套大于等于節(jié)），一套大于等于4通道的遙控器和接收機(jī)通道的遙控器和接收機(jī)5、控制方法、控制方法 四旋翼無人飛行器控制系統(tǒng)簡圖四旋翼無人飛行器控制系統(tǒng)簡圖 關(guān)鍵技術(shù)關(guān)鍵技術(shù)最優(yōu)化總體設(shè)計(jì)最優(yōu)化總體設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì)原則：重量輕、尺寸小、速度快、能耗低設(shè)計(jì)原則：重量輕、尺寸小、速度快、能耗低動力與能源動力與能源 提高動力裝置效率，采用高效能源提高動力裝置效率，采用高效能源數(shù)學(xué)模型的建立數(shù)學(xué)模型的建立飛行控制飛行控制 研制可以精確控制飛行器姿態(tài)，并且具有抗干研制可以精確控制飛行器姿態(tài)，并且具有抗干擾能力強(qiáng)和環(huán)境自適應(yīng)能力強(qiáng)的姿態(tài)控制器擾能力強(qiáng)和環(huán)境自適應(yīng)能力強(qiáng)的姿態(tài)控