基于nimyrio的四旋翼飞行器的设计与研究

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1、基于NImyRIO的四旋翼飞行器的设计与研究第一章绪论1.1课题研究背景飞行器以其巨大的魅力吸引着人们对其进行开发研究。2003年之后，人们将关注目光集中到了机器人领域微型飞行器（MAV）的技术发展上[1]。一方面，如何科学地设计MAV以解决其在复杂多变实际飞行环境下控制问题，是一个非常有挑战性的项目；另一方面，MAV在军事和民用等多领域的广泛应用也吸引着越来越多人对相关开发项目进行投资。许多专家学者对地面机器人定位，导航，避障等方面的算法原理都进行了深入研究，并且在相关研究领域取得了可观成绩[2]。但由于地面机器人在崎岖山路等地形受到诸多限制，人们不得不把研究的

2、目光投向发展新学科领域的技术来解决该问题[3]。随着微电子技术的高速发展，人们考虑到可以把地面机器人的技术应用在MAV飞行系统中。在传感器领域，目前已研发出新一代集成微惯性测量单元（IMU），它由微机电系统（MEMS）技术的惯性传感器和磁阻传感器组成。最新研发的高密度蓄电池可为飞行系统提供190EMS技术现在已经得到了广泛的应用，但由于存在噪声和漂移的影响，惯性传感器精度依然低于传统传感器，如何以高精度的惯性传感器取代旧式传感器是不得不解决的问题。再者，由于低成本的IMU预测方向数据不准确，对漂移的抑制作用不大，因此使用低成本的IMU即意味着低效率的数据处理过程。

3、另外，即使微型执行器技术已有突破性发展，标度律技术发展依然不理想，不得不考虑制动器饱和问题。...........1.2国内外研究现状继飞行器第一次载人飞行试验成功之后，Cooper博士和企业家ElmerSperry合作发明了有助于保持飞行器垂直、水平运动的自动陀螺仪稳定器[6]。军方将应用这项技术应用于美国海军CurtissN-9教练机，诞生了第一架无线遥控无人飞行器（UAV）[7]。美国在第一次世界大战时首次对这款无人机的性能进行了测试，但并未在战斗中部署使用。第二次世界大战期间，德国使用的先进的武器在无人机作战方面展现出了巨大发展潜力。二战之后，各国军方纷纷

4、意识到无人机在军事作战的重要地位。数十年内，无人机已发展成为具有复杂控制系统的飞行器。尤其是以美国和以色列为代表的国家掌握着最先进的技术，生产了捕食者（通用原子公司），先驱者（PUAV公司）[8]等。学术界的研究人员同样对无人机的研究显示出很大的兴趣。他们对垂直起降无人机和微型飞行器进行了广泛深入研究。研究内容不仅面向军事领域，而且也应用于搜寻救援等民用领域。目前，研究的目光聚焦在解决自主飞行器的小型化，自主性，控制，空气动力学和能量等具有挑战性的问题。AeroVironment公司生产的FR[11]的设计问题，寻求四旋翼飞行器的最佳设计方案（综合考虑设计和控制方

5、面）。表1-1列出了近些年比较有代表性的四旋翼飞行器开发项目。...........第二章四旋翼飞行器理论模型2.1四旋翼动力学四旋翼飞行器是一个复杂的机械系统，它的飞行运动受空气动力学领域和运动力学领域的多种物理效应影响，所以建立四旋翼飞行器的模型时应考虑包括陀螺仪，加速度计等各种元器件对它产生的重要作用。表2-1对一些对其有影响的元素做了简要概述：为了在计算机系统上进行简单精确的数学分析和仿真实验，建立四旋翼动力学和运动学的物理模型。图2-1给出了这个模型：用一个重心为球形中央的对称交叉结构及四个螺旋桨表示四轴飞行器，其中前后两个旋桨顺时针旋转，另外两个旋桨逆

6、时针旋转。图2-1中红色箭头表示主要运动方向。假设螺旋桨结构的质量连接到中央质量忽略不计。建立该模型定义了两个不同的笛卡尔（Cartesian）参考系：地面坐标系和机体坐标系。如前所述，四轴飞行器的动力模型包括两个不同的参考坐标系：地面坐标系在地面上给定一个居中点，fz轴指向上，fy轴指向北，fx指向东。机体坐标系以机体的重心为坐标系中心点，bx轴指向主要运动方向（由于四旋翼的对称结构这个方向通常是任意方向），相对于机体by指向左，bz指向上。两个坐标系都遵循右手定则。...........2.2刚体动力学四旋翼飞行器的动力学方程通常建立在机体坐标系中而非地面坐标

7、系中，原因如下：（1）惯性矩阵为时不变矩阵；（2）利用机体的对称性可以简化方程；（3）用机体坐标系表示传感器的测量值和驱动力。卡尔曼滤波器的一个主要局限性表现为需要同时满足动力系统和测量函数与状态变量线性相关。在实际应用中，这些条件并不容易实现。扩展的卡尔曼滤波器是标准卡尔曼滤波器的一种变型，这种滤波器可应用在系统或测量模型非线性的的环境中。本部分关于协方差的更新则更复杂。若状态变换和测量方程非线性时，状态变量的概率分布变成非线性，所以仅用均值和协方差矩阵不能全面概述。EKF线性化当前状态估计下状态变量和测量模型，用与标准卡尔曼滤波器相同的方程式Jacobians

8、矩阵更新协