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1、四旋翼自主飞行器设计报告林，张，翁（泉州师范学院物理与信息工程学院，福建泉州362000）查重30摘要：设计四旋翼自主飞行器，使得飞行器自主的从一个指定的区域飞到另外的一个指定区域降落并停机。四旋翼飞行器具有四个定螺距螺旋桨，可以通过协调各个旋翼的速度来控制飞行器的飞行姿态和飞行速度，而不需要繁杂的桨矩控制部件，而且也可以共享电池、控制电路板等，因此简化了结构，减轻了飞行器重量，可以减少能源消耗。关键字：四旋翼飞行器；电机；电调一、系统方案1.1方案描述四轴飞行器是一个具有6个自由度和4个输入的欠驱动系统,具有不稳定和强耦合等特点,除了受自身机械结构和旋翼空气动力学影响外,也很容易
2、受到外界的干扰。无人机的姿态最终通过调节4个电机的转速进行调整,飞行控制系统通过各传感器获得无人机的姿态信息,经过一定的控制算法解算出4个电机的转速,通过I2C接口发送给电机调速器(简称电调),调整4个电机的转速,以实现对其姿态的控制。姿态控制是整个飞行控制的基础,根据姿态控制子系统的数学模型[4],姿态控制系统需要检测的状态有:无人机在机体坐标系下3个轴向的角速度、角度和相对地面的高度。飞控系统担负着传感器信息采集、控制算法解算及通信等各种任务,是整个无人机的核心,其主要功能有:(1)主控制器能快速获得各传感器的数据,并对数据进行处理;(2)传感器实时检测无人机的状态,包括姿态、
3、位置、速度等信息;(3)主控制器能与PC机进行数据交换;(4)系统能进行无线数据传输。根据四轴飞行器实际的飞行需求,飞行控制系统一般包含主控制器、各传感器模块,通信模块和电源模块等。其中主控制器采集各传感器的信息,通过控制算法求解出4个电机的转速,通过I2C接口发送给电调;惯性测量单元检测无人机3个轴向的角速度和加速度;高度传感器检测无人机的高度;无线数传模块用于传送控制指令,也可以在调试时用于传输传感器数据;电源模块为各传感器和主控制器提供电源。图1.1四旋翼飞行器飞行原理二、设计与论证2.1控制方法描述四旋翼飞行器的控制主要是解决系统自身的强耦合性和高度不稳定的动力特性。四旋翼
4、飞行器对外界和自身系统存在的干扰十分敏感，这使其飞行控制系统的设计变得非常困难。另外，通常情况下导航测量系统测量精度以及执行机构的性能都会随着系统尺度减小而下降。所以，要想保证四旋翼飞行器在各种飞行条件下都具有良好的飞行性能，飞行控制算法极为重要。目前有多种控制算法用于四旋翼飞行器的控制，如PID控制、PD控制、LQ控制、Backstepping控制、滑模控制、神经网络控制、鲁邦控制等等。国际上，斯担福大学StevenL.Waslander等指出，由于四个旋翼相互作用产生的气流十分复杂，线性控制算法已不能满足系统镇定的要求。分别采用滑膜积分（IntegralSlidengMode）
5、与增强学习（ReinforcementLearning）两种控制技术相比，均极大地提高了系统性能。EPFL自动化系统实验室在研究中提出积分器Backstepping孔子方法，所设计的控制器实现了对OS4起飞，着陆控制。国内方面，聂博文基于简化动力学模型，利用Backstepping方法设计了四旋翼飞行器飞行控制器。针对模型直接驱动部分，应用“误差-误差”原理将自抗扰控制器（ADRC）用于四旋翼姿态控制，实现四旋翼飞行器定点悬停和轨迹跟踪飞行控制。总的来说，目前对于四旋翼飞行器的飞行控制的研究，主要针对姿态稳定控制，而且都加入了许多约束条件，但是这些研究为四旋翼飞行器实现自主飞行提供
6、了必要的技术基础。2.1.1飞行器的结构如图2.1所示，四旋翼飞行器一般是由四个可以独立控制转速的外转子直流无刷电机驱动的螺旋桨提供全部动力的飞行运动装置，四个固定迎角的螺旋桨分别安装在两个十字相交的刚性碳素杆的两端。对于绝大多数四旋翼飞行器来讲，飞行器的结构是关于两根碳素杆的交点对称的，并且两个相邻的螺旋桨旋转方向相反；正是由于这种独特结构，使四旋翼飞行器抵消了飞机的陀螺效应，更加方便建模。与传统的单旋翼飞行器，特别是直升机相比，四旋翼飞行器没有尾桨，这使之拥有更高的能量利用率。另外，四旋翼飞行器的四个旋翼的转速比之直升机的螺旋桨转速明显低出很多，因此，它可以近距离的靠近目标物体
7、，适合室内飞行和近地面飞行。2.1.2控制原理四旋翼飞行器系统共有四个输入，分别为一个上升力和三个方向的转矩，但是飞行器在空间中却有六个自由度的输出坐标，可以进行三个坐标轴方向的平动运动和围绕三个坐标轴方向的转动运动。如果沿着任意给定方向的独立运动，飞行器没有给予足够多的运动驱动，那么该飞行器就是欠驱动的。可见，四旋翼飞行器是欠驱动和动力不稳定的系统。因此，针对该系统实现全部的运动控制目标，必然存在旋转力矩与平移系统的耦合。传统的纵列式直升机为了平衡反扭矩，需借助尾桨
