小型多旋翼无人直升机简介

国内外研究现状,世界上的分类： 遥控航模四旋翼飞行器 小型四旋翼飞行器 微型四旋翼飞行器,国际上已经对微小型四旋翼无人直升机进行了相当广泛和深入的研究，但在国内，目前还没有开展过这一方面的研究,国内外研究现状,遥控航模四旋翼飞行器 遥控航模四旋翼飞行器的典型代表是美国Draganflyer公司研制的Draganflyer。它是一款世界著名的遥控航模四旋翼飞行器，主要用于航拍。,国内外研究现状,小型四旋翼飞行器 世界上对小型四旋翼飞行器的研究主要集中在三方面：基于惯导的自主飞行控制、基于视觉的自主飞行控制和自主飞行器系统方案，其典型代表分别是:瑞士洛桑联邦科技学院（EPFL）的OS4、宾夕法尼亚大学的HMX4 和佐治亚理工大学的GTMARS。,微型四旋翼飞行器 斯坦福大学的Mesicopter是利用多旋翼式总体布局方式实现微型飞行器（Micro Aerial Vehicle）的一次富有开创性意义的探索。 Mesicopter 是一种微型四旋 翼飞行器，是是加上最著名、 最重要的微型飞行器之一。,国内外研究现状,在国内，清华大学、上海交大、国防科大、北航、南航等高校都有对无人直升机的相关研究。,国内外研究现状,国防科技大学机器人实验室于2004年开展了微小型四旋翼无人直升机的相关技术研究，自行设计、制作原型样机和齿轮减速装置,原型样机,齿轮减速装置,上海交通大学工程中心试验室也开展了四旋翼无人直升机的相关技术研究。其大致结构模型如图所示。四只旋翼对称地安装于矩形框的内部，分为顺时针和逆时针两组，以相互抵消反扭力，而这样的框架结构可以避免旋翼达到周围的事物而引起危险，通过改变转速则可以控制直升机升降和转弯等等。,国内外研究现状,根据直升机的不同功能作用，还可以在矩形框架上装上各类传感器、摄像头等等,数学建模,建立四旋翼无人直升机的数学模型，关键在于准确建立起旋翼空气动力学模型。旋翼飞行器的气动环境较为复杂，其气动力在本质上是非线性和非定常的，目前常采用的研究旋翼气动特性的方法有：动量理论、叶素理论、涡流理论及其他新型流体力学方法、流场计算方法，如Euler或NS方程等。,旋翼的相对气流,桨叶的相对气流,微型四旋翼无人直升机的运动可以看成是六个自由度的刚体运动，包含三个轴的转动（偏航、俯仰和滚动）和重心沿三个轴的线运动（进退、左右侧飞和升降）,数学建模,微小型四旋翼无人直升机的空气动力和力矩,飞行控制,基于Backstepping的微小型四旋翼无人直升机控制,微小型四旋翼无人直升机具有空间六自由度，而只能通过调节四个旋翼的转速来实现飞行控制，显然它是一个驱动系统。这类系统的特点是：可由较少的控制输入确定其在比控制输入空间维数大的位形空间内的运动；难点在于：直接激励部分的自由度和欠驱动部分的自由度相互间是非线性耦合的。 目前，针对微小型四旋翼无人直升机，国际上采用的控制方法包括：反步法（Backstepping）、反馈线性化等，其中应用最多的是Backstepping。,飞行控制,Backstepping方法,Backstepping是非线性系统控制器设计最常用的方法之一，是将Lyapunov函数的选取与控制器的设计相结合的一种回归设计方法。它通过从系统的最低阶次微分方程开始，引入虚拟控制概念，一步一步设计满足要求的虚拟控制，最终设计出真正的控制律。,飞行控制,Backstepping方法,微小型四旋翼无人直升机控制系统结构,飞行控制,Backstepping方法,仿真实验检验微小型四旋翼无人直升机Backstepping控制器的控制性能。通过调节控制器的参数，可以实现定点悬停控制，达到跟踪误差小、调节时间短的性能指标；轨迹跟踪试验结果说明控制器具有良好的跟踪性能；对于传感器噪声和旋翼转速短时突变的情形，仿真结果证明Backstepping方法具有一定的鲁棒性，克服了传统控制方法中的闭环系统缺乏鲁棒性的缺点。 缺点在于，控制器结果复杂，对状态反馈量要求很高，控制性能很大程度依赖于对象模型的精度，这些将严重限制其实用化。,飞行控制,基于ADRC的微小型四旋翼无人直升机控制,自抗扰控制器（Actived Disturbance Rejection Controller）已经历了20多年的发展历程，如今在控制界具有一定知名度。 ADRC提出“观测+补偿”的方法，有效处理系统中的非线性与不确定性问题，同时配合非线性的反馈方式，提高控制器的动态性能。,ADRC结构图,飞行控制,ADRC,ADRC能够动态补偿系统模型扰动和外扰，鲁棒性很强，可应用于多种非线性系统的控制。目前为止，ADRC已在许多复杂非线性控制问题中得到成功的应用，如：战斗机超机动飞行控制、船舶减摇器控制、某型导弹控制等等。,基于ADRC的飞行控制系统结构,飞行控制,ADRC,经仿真实验检验分析，ADRC控制器可以很好地实现姿态增稳和高度控制，具有调节时间短、超调量小