四旋翼直升机控制算法分析

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1、四旋翼直升机控制算法分析第1章绪论随着科学技术的长足发展，在微系统、能源等方面的研究的不断深入，对四旋翼无人直升机的研究得到研究人员的青睐。因为其结构简单新颖、成本较低且飞行性能良好，对其的应用或者二次开发逐渐出现在军用以及民用相关领域。本章主要介绍四旋翼无人直升机的研究背景意义以及国内外对其控制算法的发展现状的分析比较。1.1四旋翼无人直升机研究背景及意义四旋翼无人直升机是一种具有多个旋翼的无人飞行器，它拥有长时间的空中悬停与地面快速垂直起降等特殊的飞行能力，属于非共轴式碟形飞行器的一种，在其结构布局方面比常规旋翼式飞行器更加紧凑、结构更加优美，利用四

2、只旋翼提供动力，并且四只旋翼中一对对角线的两电极转向相同，另一对角线两电机转向相反的布局可抵消反扭力矩，不像常规旋翼飞行器那样需要配置专门的反扭矩桨叶。在空中飞行过程中，通过不断调整四个桨叶的转动速度，可以实现多种位置与姿态的变化，从而完成既定任务。较其它可以垂直起降的飞机相比四旋翼直升机在机械简单性、低速飞行、静态飞行等方面具有较大优势（见表1.1所示），正因为它所拥有的特殊飞行能力以及能在各种恶劣的自然环境中起落等优点，恰好满足在军事及民事相关单位的需求，主要涉及到日常航拍、资源勘探、大气监测、国境巡逻、反恐监控等多个领域。由此可见，对于四旋翼无人直

3、升机的控制方面的相关研究具有相当强的实际意义，关系到四旋翼无人直升机能否顺利应用到实际中。但同时对其的控制又具有非常大的难度。首先，其动力学模型具有欠驱动、非线性，耦合性强以及静不稳定的特点；其次，对四旋翼无人直升机抽象模型进行精确建模比较困难，它在飞行过程中同时受到像空气阻力、旋翼的转动拉力、地面效应以及陀螺效应等作用，在室外环境中易受气流、噪声等外部扰动，所以其动力学模型基本上都存在不确定性，建立精确有效的动力学模型比较困难。另外，在有些飞行场合下，四旋翼无人直升机的质量是随时间变化而变化的，因此模型还可能存在质量不确定性，大大增加了控制器设计方面的

4、困难成度。因此对于四旋翼飞行器控制理论研究已经成为当今控制界的一大热点问题。1.2四旋翼无人直升机历史回顾及发展现状早在1907年，在CharlsRichet教授的指导下Louist和Jacque兄弟设计制造出了世界上第一架四旋翼直升机旋翼机１号（如图1.1所示），从那时起四旋翼直升机这一概念就被正式地提出来。同年8月24日，该机在法国北方小镇杜埃进行试飞，由于缺少飞行控制系统也没有相应的控制方法，虽然该飞机仅仅飞行了几秒钟，离开地面约60cm，向前飞了大约lm，但是却开创了旋翼飞行器的飞行先河，此次试飞也是具有划时代的意义的转折点，在四旋翼直升机发展史

5、留下了光辉的一笔[2]。对于四旋翼直升机的研究又重新引起研究人员们的青睐，他们深入研究它的气动布局以及动力学特性，再加上新的控制算法的尝试验证，对于四旋翼无人机的研究取得了长足的快速的进步。现有的四旋翼无人直升机大致可分为航模爱好者作为业余爱好的遥控四旋翼直升机、微小型四旋翼直升机以及微型四旋翼直升机三大类。美国Draganflyer公司研制的专门用于遥控航模四旋翼直升机DraganflyerVTI（如图1.4所示）采用碳纤维等高性能材料，系统内置增稳控制单元三轴陀螺仪，为世界上的广大航模爱好者所喜欢，已被广泛应用于短距离航拍等航模爱好者的活动中。斯坦福

6、大学的研究小组研制了一款微型四旋翼直升机Mesicoper（如图1.5所示），其实验样机由于飞行稳定度稍差，仅在实验室环境内支撑架上完成了飞行，该研究小组一直朝着研究其自主飞行以及多机协同飞行编队问题方面不断努力。至于微小型四旋翼直升机主要代表为瑞士洛桑联邦理工大学制作的OS4各型号相关样机，目前针对此类直升机的研究重点在于基于惯导以及视觉系统的直升机自主飞行方面的研究。瑞士洛桑联邦理工大学自动控制研究小组开发的OS4II[4]型四旋翼无人直升机（如图1.6所示）在室内环境下已经完成了基于惯导的悬停控制和跟踪方面的飞行控制。佐治亚理工大学研制的GTMAR

7、S四旋翼无人直升机（如图1.7所示）已经实现自主起飞和降落，主要应用于美国宇航局的探月计划；通过机身装的太阳能电池板在飞行过程中给电池充电，其最大续航时间为30分钟，同时也可返回到登陆器进行电量补充。第2章四旋翼无人直升机运动方式及其动力学建模被控对象的动力学模型的建立是设计相关控制器的基础依据，为了更好地研究四旋翼无人直升机的动力学性能，建立相对而言比较准确模型是研究基础，同样也是研究其位置、姿态和控制量之间的联系的重要基础。本章首先介绍四旋翼无人直升机经典的六自由度的运动方式，然后分析了建模过程中两组重要的转换关系，最后根据牛顿定律以及欧拉方程相关理

8、论进行受力分析完成动力学模型的建立。2.1运动方式介绍四旋翼无人直升机通过控制电