大型四旋翼飞行器的建模与控制-外文翻译.doc

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1、控制工程实践18(2010)691-699大型四旋翼的建模与控制摘要：在研究中使用的典型的四旋翼飞行器重量小于3千克，并且携带数百克测量有效载荷。在设计和控制中几个障碍必须克服，以应付这推动现有的四旋翼性能的界限预期行业需求。X-4飞行器，拥有1千克有效载荷的4千克重的四旋翼，旨在成为典型的商用四转子。调整设备的动态与板载嵌入式姿态控制器的定制工艺采用以稳定飞行。独立的线性SISO控制器设计来调节飞行器的姿态。该系统的性能在室内和室外的飞行中被证明。1.介绍直升机的主要限制是需要广泛，成本高，维护运行可靠。无人机（UAV）旋翼机也不例外

2、。明显简化这种工艺的机械结构产生了效益的物流。四旋翼是旋翼航空器不具有复杂的旋转斜盘和联系在常规设计中，而是使用不同的转子速度以机动飞行的另一种形式。由于大大降低了机械复杂性和磨损，因此预计精心设计四旋翼将证明本身更健壮和可靠的。然而，对于四旋翼要想在实际应用方面与直升机具有竞争力，它理想的是最大限度地发挥其动态性能和空气动力学性能。自从在21世纪初取得的机器人技术研究人员的关注，四旋翼已经成为重大课题的主题，并且许多关于用来调节他们飞行的动力学和描述方法的论文已经被写。最早期的四旋翼研究是基于小型飞行爱好工艺，如HMX-4和Draga

3、nfly创新公司（2009年）。他们是由镍镉或锂聚合物电池供电，使用速度反馈MEMS陀螺仪的阻尼，但没有侧倾或俯仰角稳定性。研究四旋翼添加自动稳定性并且使用各种硬件和控制方案。四旋翼的一个例子，一个具有低宽高比叶片的轮带驱动飞行器。CEA的X4飞行器，一个每个马达上有四个叶片的小型四旋翼，康奈尔大学的自主飞行器，使用了飞机螺旋桨的大型工艺。由于其固有的耐用性和紧凑的布局，在工业使用中很有吸引力，但是使四旋翼无人机规模化的工业使用毫无进展。以前曾试图构建大的，重的四旋翼无人飞行器（例如43千克或41米），如Hoverbot（鲍仁斯坦，19

4、92年）和美国康奈尔自主飞行车辆'AFV'，是由所需的操作（尼斯，2004年）的外部附件和系绳所限制。这个6千克的哈弗机器人由在尾部加入4个爱好直升机建造。它可以把自己升到空中，但是从不能飞离其传感器的测试框架。该6.2公斤AFV是定制与爱好螺旋桨，电机，电子调速控制器和锂电池。它用于轴编码器闭环转子速度控制，和卡尔曼滤波器来执行惯性传感器偏差估计。它飞行具有束缚力，但飞行的伤害阻碍了进一步的测试。在商业领域，几个小组宣布，计划向4-6kg设备市场进军，但这些并没有体现在产品上，而次级2公斤工艺的许多例子，现在一应俱全。大于3公斤的四旋

5、翼无人机比较稀有可以归因于所遇到作为车辆的重量增加了无数的设计挑战，并且随之而来的，必须严谨保障比例更脆弱的硬件。作者确定了实际飞行机的下一个挑战之一是旋翼气动力和控制性能，满足运营商的需求增长的最大化。虽然许多任务可以用小的有效载荷和飞行时间短，更大的负荷和更长的飞行时间是一个商用车更实用。这种挑战可以通过增加车辆的尺寸和功率。由转子产生的推力是它的半径的第四的功率和角速度的平方成正比。所需的输入功率，在悬停的半径成反比，使得使用更大的车辆和提高性能的更高功率的转子。直升机大小的主要限制是结构，转子大得垂向地面。转子的重量和动态的控制

6、性能，可以实现的后果。控制工程实践18(2010)691-699图1X-4飞行器1.1.X-4飞行器澳大利亚国立大学的X-4飞行器马克III是一个载荷1kg的4kg 重的四旋翼飞行器。它的设计以解决面对小规模的无人机的问题，只有百分之20的面积大于RCtoys Draganflyer IV（见图1）。这被视为对高能工业四旋翼无人机的一步。它采用定制能力提升飞行器一个额外的30％的控制范围（总推力>5.2千克）高性能转子（磅，马奥尼，与考克，2009年）。所用的马达和电池是现成的部件。马达直接驱动转子，省去了一个变速箱。该机器人只有8移动

7、部件四旋翼旋转支架和四个电机枢纽。其结果是，在锭翼是机械上可靠很少范围在飞行灾难性故障。本文重四旋翼的关键控制环节报道：旋翼转速控制和姿态动态控制。四旋翼直升机刀片扑动态的详细研究。基于该六自由度气动模型，在纵向（俯仰/翻滚）解耦动力学和方位角模式导出。我们使用这个模型以优化X-4飞行器的机械设计对这些动态的控制，并实现在解耦动力学线性SISO控制。该控制器在一个万向钻机测试，实现了室内和室外的飞行测试的性能报告。调查结果总结了简短的结论。2.驱动系统高效，紧凑，高扬程转子是四旋翼无人机应用飞行时间和有效载荷的需求至关重要。以前的努力来

8、设计驱动系统往往包括了一个经验做法，结合现成的架子部分（Bouabdallah，Murrieri，与Siegwart，2004年，尼斯，2004年），但以获得最佳性能转子和电机必须调整的具体需求该机。设计适