六旋翼无人机控制技术概述

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1、六旋翼无人机控制技术概述1绪论1.1课题研究背景及意义近一个世纪以来，无人机以其低损耗、零伤亡、高机动性等优势，在军事、民用和科学研究三大领域发挥着重要作用，比如在军事上可用于监控，火力打击；在民用上，可以用于电网巡视，城市环境观测；在科学研究上，可用于对生化污染区域的取样。无人直升机具备垂直升降、悬停等灵活飞行性能优势，因此在某些环境下比固定翼无人机具有更好的适用性。20世纪50年代以来，对无人直升机的性能要求不断提升，这些需求促使许多种类的无人直升机问世，比如DraganflerVTI四旋翼无人直升机和新型MikrokopteHex

2、a2六旋翼无人直升机。四旋翼无人直升机是一种具有四个旋翼的飞行器，其四个旋翼呈十字交叉分布。与单旋翼直升机相比，其旋翼较小，降低了旋翼碰撞周围物体造成事故的可能性，使飞行更加安全[21。但是若当四旋翼直升机遇到恶劣环境，一个或多个旋翼受到扰动时，其稳定性将受到很大挑战。六旋翼无人直升机与四旋翼无人直升机类似，是一种六自由度的垂直起降飞行器，六个螺旋桨呈六边形顶点位置分布，六个螺旋桨速度作为六个输入力，六个自由度的位置作为输出。六旋翼无人直升机的六个螺旋桨的旋转方向不尽相同，通过改变螺旋桨的速度来改变无人直升机的姿态和位置。六旋翼无人直升

3、机与四旋翼无人直升机相比，多出两个冗余的旋翼，当遇到较强外力干扰或者部分旋翼受扰动时能表现出较好的稳定性和跟踪性。六旋翼无人直升机控制系统是保证其稳定性能的关键，因此对六旋翼无人直升机控制系统的研究尤为重要。六旋翼无人直升机将更加适用于在危险和恶劣的环境下工作。在军事和民用领域都将具有广阔的应用前景。如今，它以成为新的受关注的研究方向。这种关注既来自于应用需求的带动，也源于这项技术的挑战性。本文就以六旋翼无人直升机为研究对象。...........1.2六旋翼无人直升机国内外发展现状六旋翼无人直升机是四旋翼无人直升机的改进产品。其概念可

4、以追溯到20世纪中叶较为流行的外形如飞碟的蝶形飞行器列如美国的Cypher、加拿大的CL-327。六旋翼无人直升机就是蝶形飞行器的一种。六旋翼无人直升机是近几年才出现的四旋翼无人直升机的延续产品。关于四旋翼无人直升机，早在1907年法国的breguet兄弟就制造了他们的第一架四旋翼直升机breguet-richet旋翼机1号。此后在1921年、1924年和1956年相继出现了DeBothezat四旋翼直升机，Oemichen四旋翼直升机和Converta等人在文献[13]中介绍了变结构控制在飞行器控制中的运用；全状态反推法(Backst

5、印ping)也常被运用在多旋翼无人直升机控制中，Sanca和Longhi学者分别在在文献[14]和文献[15]中介绍了全状态反推法在四旋翼无人直升机飞行控制中的运用和仿真测试结果。2六旋翼无人直升机模型分析2.1六旋翼无人直升机结构分析本章研究了六旋翼无人直升机结构和飞行动态特性，并对作用在无人直升机上的力和力矩做了分析。运用了Neulink的环境下完成的，控制对象为在第二章中介绍的六旋翼无人直升机非线性动态模型（式（2.17))。MatlabSimiiHnk环境下，飞行控制系统的仿真参考了文献[33][34]。本章节首先仿真了姿态角

6、控制，比较了PI控制器与LQ控制器的控制结果。然后仿真了高度位置Z伺服控制和平面位置（x,y)伺服控制。最后仿真了六旋翼无人直升机在不同环境下的飞行轨迹，验证控制系统的控制有效性。本章节首先分别仿真了姿态控制系统、高度位置控制系统和平面位置控制系统这3个子系统的控制结果。通过仿真验证了上述3个子系统在无扰动环境下、扰动环境下以及模型参数波动环境下的控制有效性。然后三维仿真了六旋翼无人直升机在不同环境下的飞行轨迹，满意的仿真结果验证了飞行控制系统设计的有效性，表明此六旋翼无人直升机控制系统具有良好的私服指令跟踪性和稳定性。结论六旋翼无人直

7、升机在民用、军事和科学研究方面都具有一定的应用前景，其模型建立和飞行控制涉及多个学科的内容。本文从分析六旋翼无人直升机动力学特性开始，建立无人直升机数学模型，并设计了无人直升机的飞行控制律。研究结果对六旋翼无人直升机飞行控制的进一步研究具有一定的理论和实际意义。根据以上章节，本文主要做了以下工作：(1)介绍了六旋翼无人直升机的历史概况和国内外发展现状。(2)建立了六旋翼无人直升机的数学模型。在参考国内外相关文献的基础上，对六旋翼无人直升机刚体动力学和旋翼空气动力学做了分析研究，推导了该无人直升机非线性动力学模型。并且通过合理假设，简化了

8、其动力学模型。(3)研究设计了六旋翼无人直升机的飞行控制律。首先分别釆用了PI控制方法和LQ控制方法设计了该无人直升机姿态角控制律，然后运用了PID与动态逆相结合的方法设计了其高度位置控制律，最后运用鲁棒P