六旋翼无人机的设计

摘 要 六旋翼无人机是一种具有可垂直起降能力的小型无人飞行器，它通过上下共轴 放置的三组共六个电机提供升力，通过改变旋翼转速来调整姿态，通过调整姿态进 一步实现位置控制，具有悬停性能优异、移动灵活、机械结构紧凑、零部件可靠性 高等优点。 论文首先对六旋翼无人飞行器的调姿原理进行了介绍，分析了其飞行姿态的调 整方式。并建立了六旋翼无人机的数学模型，根据实际情况对其数学模型进行了必 要的简化。接着，论文完成了对于六旋翼无人机控制系统硬件平台的组建，组建了 高精度的传感器系统，并完成了飞行控 制器硬件的设计与实现，完成了硬件调试工 作以及驱动的编写工作。然后，论文建立了六旋翼无人机的完整控制系统，其中包 含位置控制部分、高度控制部分以及姿态控制部分，建立了一套完整的对姿态传感 器进行机械防震与数字滤波的方法；提出了一种新颖的气压计、超声波传感器和加 速度计的融合方法，通过实验验证了滤波效果；提出了一种优化的拉力分配方法使 得控制系统的可靠性得到增强。接着，论文设计实现了飞行控制软件的主要功能， 从技术层面上对于实时性与可靠性进行了大幅的提升。最后，论文通过悬停试验验 证了姿态控制器的控制精度；通 过抗干扰能力试验验证了姿态控制器的稳定性；通 过信号跟踪试验验 证了姿态控制器 的跟踪性能 ；通过高度控 制实验验证了高 度控 制器的控制性能 ；通过视频跟 踪实验验证了六 旋翼无人机整体 控制架构的合理 性 与有效性。 关键词：六旋翼无人机； 环路控制；数据融合 哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文） ( of (. by of is as of of of of th e A to g by a A f to of 哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文） 目 录 摘 要 . . 第 1 章 绪论 . 1 论文研究的目的与意义 . 1 国内外研究现状 . 2 四旋翼无人机的研究现状 . 3 六旋翼无人机的研究现状 . 4 六旋翼控制理论研究现状 . 6 本文主要研究内容 . 6 第 2 章 六旋翼无人机数学模型的建立 . 8 六旋翼无人机飞行机理分析 . 8 坐标系定义 . 8 四种基本运动 . 9 六旋翼无人机 机体结构设计 . 10 机架选型 . 10 动力系统设计 . 11 运动方程的推导 . 11 本章小结 . 16 第 3 章 六旋翼无人机硬件设计 . 17 总体方案 . 17 无线通讯链路 . 17 传感器系统 . 18 执行器与数据保存 . 18 传感器系统 . 19 姿态传感器 . 19 高度传感器 . 19 位置传感器 . 20 飞行控制硬件设计 . 20 主控制器选型 . 20 电源、通讯接口设计 . 21 数据存储设计 . 21 第 4 章 哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文） 本章小结 . 22 六旋翼无人机控制算法设计 . 23 总体控制结构 . 23 姿态控制 . 24 姿态传感器的减震与滤波 . 24 姿态控制器结构 . 28 转速分配策略 . 28 高度控制 . 31 超声传感器的滤波 . 31 高度传感器与加速度计的融合算法 . 34 高度控制器结构 . 37 第 5 章 位置控制 . 37 本章小结 . 38 六旋翼无人机飞控软件设计与飞行试验 . 39 飞控软件设计 . 39 飞控软件功能设计 . 39 飞控软件总体架构 . 40 实时性与可靠性设计 . 40 飞行试验 . 41 悬停测试 . 42 抗干扰能力测试 . 43 信号跟踪实验 . 43 高度 控制实验 . 44 视觉跟踪实验 . 45 本章小结 . 45 结 论 . 47 参考文献 . 48 哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）原创性声明 . 51 致 谢 . 52 附 录 . 53 哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文） 第 1章 绪 论 论文研究的目的与意义 近年来，在民用领域，无人机技术在救灾、航拍、农业 、侦查等各个领域内取 得了广泛的关注与研究。在战场上，无人机由于其避免人员伤亡、具备较高的执行 任务能力等特点，得到了大量的应用。小型旋翼型无人机由于具有优异的机动性能、 简单的机械结构、方便的部署与维护等特点，得到了多方面的应用 。 世界上第一架无人靶机在 1933 年试飞成功，揭开了无人机的序幕 。在阿富 汗战争中，无人飞行器逐渐从后台走向前台，从辅助者转变为攻击者。在阿富汗战 争中的无人机使用经验引发了英美两军的深度思考 。 2007 年，英空军也付诸实 践，采用改装的战斗机与 4 架无人飞 行器协同作战，成功完成军事任务 。 自从阿富汗战争与伊拉克战争以来，美军从战场的作战经验中迅速认识到了无 人机所扮演的重要 角色，将战场的 战斗模式快速 地变化为无人机 辅助条件下的作 战方法。从现在的部署情况看来，无人机技术已经在至少 40 个国家或地区中部署 使用 ，已经部署的型号数量达到 80 种，美军拥有数量惊人的军用无人机，无人 机技术已经被美国 当做未来战争中的 重要武器技术进行研 究 。国际科 研机构已 经发出了对于无人 机研究领域的大 胆预测， 全世界对于无人 机的需求将在 短时 间 内迅速攀升；在军事领域中，将存在超过 12 万架无人机部署在全球各地 。 而随着技术的发展以及军事模式的演变，无人机的工作环境正变得日益复杂起 来。无人机需要 装载必要的侦查 设备在复杂的 城市环境或者 山区环境中执 行特殊 的军事任务。而 由于环境的复杂 性，往往对无 人机的低速性能会 提出较高的要求 。要求无 人机能够在狭窄的空间内 进行有效的机动进而 完成侦察任务。 但是目 前大量使用的常规 固定翼布局无人 机往往需要 较长的专用跑 道起飞，采用盘 旋或 者掠飞的方式对某固定目标进行侦查，因 此，无法满足在复杂城市环境或者山区环 境对特定目标的侦查任务。而小型旋翼飞行器能够实现垂直起降功能，不需要专用 的起飞与降落场地，而且能够在特定空域实现定点悬停，搭载有效的侦察设备对固 定目标进行长期的监视。因此，小型旋翼机由于其出色的低速性能、紧凑的机械结 构以及良好的机动性能，成为当今无人机技术研究中的一个热点 。 现在通常使用的无人机，如美国的全球鹰系列 无人机，均属于固定翼无人机， 而多旋翼无人机相较于全球鹰系列为代表的固定翼无人机，具有以下优点： （ 1）具有优秀的低速性能与垂直起降性能， 适合在复杂的城市环境中进行侦 查。六旋翼无人机可以实现狭小空间内的垂直起降功能，可以在任务需要的时候在 1 1 27 26 2 26 27 28 27 32 哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文） 空中某处定点悬停 对目标进行持续 的跟踪。 在必要的时候可 以在建筑物的顶 棚实 现紧急降落。 （ 2）具有紧凑的结构设计，控制结构也较为 简单。六旋翼无人机采用多旋翼 设计，其机臂可以进行折叠，旋翼也可以进行快速的安装与替换。因此，可以方便 地进行运输与快速的部署。其紧凑的结构同时也提高了六旋翼无人机的可靠性。仅 需保证电机的正 常运作即可，不 需考虑 如直升 机中运用的复杂机 械结构的可靠性 问题。 （ 3）机身小巧、便于携带。由于六旋翼无人 机具有紧凑的结构设计，因此， 组装与拆分也变得非常方便。可以方便地携带与运输。使得六旋翼无人机在军事应 用中更加方便。 在民用方面，无人机 可以进行地震等灾害之后的救援，对高压线、大坝进行巡 线监察，可以对林区进行防火监察，可以在农田中喷洒农用药物，在装备摄像头之 后，可以在空中采集图像，完成电影拍摄等任务。在军用方面，可以实现作战小分 队的小范围空中侦察，完成对地面目标的持续监视功能，弥补大型固定翼无人机装 备 级别较高，无法灵活进行战场部署的缺点 。 而且，对于无人机控制理论的研究方兴未艾，有许多热点问题正在被世界各地 的科研工作者共同探讨。例如把惯性测量元件与视觉识别结合起来，提供对包括无 人机姿态、位置信息在内的机体信息的估计 ，可以取得比单独使用惯性测量元件 和视觉识别方法更优的姿态、位置信息的估计。由于小型无人机的数学模型中具有 较多的非线性以及耦合性，因此具有较大的模型不确定性，从而导致了对控制方法 提出了各种难点，有待进一步的研究 。 同时，小型六旋翼无人 飞行器具有很大的经济潜力，具有很大 的潜在市场。相 比于通常的大型固定翼无人机，小型六旋翼无人机具有紧凑的机械结构、低廉的成 本与卓越的低速运动性能，因此，在民用领域与军用领域中都具有及其广泛的用途， 对于该种无人机的研究是具有比较可观的应用前景的。 综上所述，该论文对六旋翼无人机理论的研究以及在工程上的实践对于进一步 的理论研究、无人机技术的发展、开发潜在的市场需求等方面都具有很强的实际意 义。 国内外研究现状 多旋翼无人机的研究主要集中在四旋翼领域，而对于六旋翼的研究则 比较少， 四旋翼的研究对于六旋翼的研究也具有很大的 借鉴意义，它们在姿态测量、传感器 滤波与融合等方面具有很强的共通性，因此，下面分两部分进行现状探讨。 2 8 3 8 哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文） 四旋翼无人机的研究现状 最近几年，四旋翼无人机领域的研究成果急速增长，下面对一些具有代表性的 研究成果进行列举。 是瑞士洛桑理工学院的一支研究团队研发的一种小型四旋翼飞行器，主 要研究飞行自主 控制算法与结 构设计，他们的 目标是实现四 旋翼在室内环 境与室 外环境内的完全自主飞行。该项目分为两个阶段， 量约为 235 g，最大长度 为 73队成员开发出了一套从上到下的设计方法论，通过飞机总体质量，总 体尺寸以及推重比等参数，在可选的数据库中挑选最佳的设计方案。团队成员采用 万向节制作测试平台。他们将四旋翼机架放置在通过万向节连接的测试平台上，能 够在俯仰、横滚、偏航三个转动方向上提供自由度。而 的电机调速装置、电 源、飞行控制均由外部提供。 队对于各种控制方法都进行了有效地实验，最 后通过实验得出 制方法可以得到较好控制特性的结论。由于初期的四旋翼只 能依靠测试平台进 行三个自 由度以 内的自由运动 ，而不能完全脱 离对于地 面系统 的依赖，团队成员开发出了第二代 其能够脱离测试平台进行飞行 试验。 比，完全脱离了对万向节实验平台的依赖，机载锂电池与飞行控 制系统。续航时间约为 30 分钟，到 2006 年，项目团队已经初步完成了所有的研究 工作。 1 是面向火星探测而设计的小型旋翼飞行器系统，由佐治亚理工大 学研制，该飞行器具有很大的重量，可以背负较大的载荷，其旋翼尺寸达到了惊 人的 能量不足的时候，该无人机可以自动在能量补充点降落完成能量补 充。 3 4 16 哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文） 行器。 20 图 1与 为具有非常好的飞行性能的四旋翼无人 图 1图 1 斯坦福大学也有关于小型四旋翼无人机的飞行控制研究，他们选择 为他们研 究平台 的基础平台。该平 台主要由 惯性测姿模块，微控制芯片，超声波传感器， 收机与蓝牙通 讯设备。地面站系统由 、操纵杆组成。机载平台将飞行器的实时姿态信息 与控制信息发送给地面站。由于飞行器的震动，所以对飞行速度与位置的估计不 是很准确，因此使用扩展卡尔曼滤波改善信息估计。最后取得了较好的悬停性能 与抗风扰性能。 六旋翼无人机的研究现状 美国 司在六旋翼无人机的研究上有一些代表性的产品。 旋翼无人机重量小于 2 重能力 500g，具有 位功 能，可以进行高度锁定。其机架采用一体化的碳纤维制作。具有一体化设计的遥控 器，在遥控器上面实时显示电池电量、飞行高度、飞行速度、飞行朝向等飞行信息， 可以传输视频信息。同时配备光学相机或红外热成像相机。续航时间约为 15 分钟。 可以配备视频眼镜辅助操作。该型无人机具有特殊设计的可折叠机架，在保证机体 机械强度的前提下提供便携的结构设计。该型无人机已经在诸如公共安全、航拍摄 影、工业探查与教育领域进行了广泛的应用。 4 24 哈尔滨工业大学本科毕业设 计（论文） 图 1人机 图 1人机飞行图片 图 1折叠状态下 图 1频眼镜 大疆创新公司推出了针对专业航拍领域的六旋翼无人机 六旋翼无人 机采用分列放置旋翼的方法，其采用旋翼内翻一定的角度的方法，增强无人机系统 的稳定性。配合其生产的 控，可以达到很高的控制精度与极高的飞行 稳定性，配合禅思云台，可以达到电影拍摄级别的航拍画面。 图 1800 六 旋翼无人机 六旋翼无人机与四旋翼无人机均属于多旋翼无人机的范畴，均具有可垂直起降 无人机具有的所有优点，例如可以在复杂的城市环境中完成对低速目标的监视；对 复杂的地面情况进行详细的探查；在空中特定方位定点悬停完成特定任务。然而， 六旋翼无人机相比于四旋翼无人机，也具有一些显著的优点： （ 1）在保证机体尺寸相当的前提下，六旋翼 无人机比四旋翼无人机更好地利 用了机体的结构空间，增加了旋翼的个数，提升了负载能力，将动力系统为机体提 供的最大拉力提升，而且并没有对总重量造成显著的增加。因此提高了整个飞行器 的 推重比，由于控制系统的性能受飞行器推重比的影响比较大，控制系统在系统推 5 哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文） 力裕量较大时才 能较好地克服 诸如大风、机体 抖动等干扰的 影响达到较好地 控制 效果。因此，六旋翼具有使控制系统性能更加优秀的机体特性。 （ 2）六旋翼无人机相比于四旋翼无人机具有 更加可靠的工作性能。对于四旋 翼无人机，由于它的每个旋翼对于维持自身姿态稳定都是必不可少的，因此，如果 飞行时因为某种外 部因素造成 旋翼破损，四旋 翼无人机将无法 稳定自身姿态并 很 有可能坠毁。然而对于 六旋翼无人机，为了维护姿态的稳定，它的每个旋翼并不都 是必不可少的，从理论角度来讲，缺失两个旋翼的情况下，六旋翼无人机仍旧具有 保持自身姿态稳定的条件。因此，只需要从控制方面对飞行时的状态进行判断，即 可以灵活地对总拉力的分配进行重新考虑，避免失控情况的出现，进而提高整个无 人机系统的鲁棒性 与可靠性， 这种可靠性的提 升对于无人机 的广泛应用是有 重要 意义的。 （ 3）六旋翼无人机相比于四旋翼无人机，具有灵活的机械 结构配置方式，通 过采用上下共轴双桨的方式，可以只采用三根机臂的设计，这样可以使便携性更 容 易实现。可以在短时间内完成整个机体的拆装工作。 综上所述，六旋翼无人机在 推重比、控制性能、可靠性等方面较四旋翼无人机 具有更好的特性，但也不是完全否定四旋翼无人机的合理性，必须承认的是，由于 六旋翼无人机共轴双桨的电机配置造成了一定效率上的损失，但是，由于其它方面 的优越性，本论文着重开展了对六旋翼无人机的研究工作。 六旋翼控制理论研究现状 在控制方法上，关于多旋翼无人机的控制方法已经得到了很多来自世界各地学 者们的研究， 人对 制方法在多旋翼无人机中的应用进行了 研究 ， 多旋翼无人机的控制中，分别使用了 法，最终都取得了 比较好的控制效果；由于变结构理论的进一步发展， 人将变结构控制应用到 多旋翼无人机的控制方法中； 法也常被运用于多旋翼无人机的控 制 ， 人对 法进行了仿真测试 。 此外，国外学者通过结合视觉识别与惯导信息，获取了更好地控制效果。 本文主要研究内容 论 文主要完成 了多旋翼无人 机控制系统 硬件的设 计与控制系 统总体结构 的设 计，在实现了控制系统软硬件的基础上，完成了实际飞行试验，证实了控制方法的 有效性。具体章节内容安排如下： 第二章完成了对于六旋翼无人机的模型建立，通过分析六旋翼无人机在飞行状 态下所受到的力与力矩，运用牛顿欧拉方程建立了六旋翼无人机的力学模型，并建 6 1 4 1 哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文） 立了控制系统的运动方程。 第三章设计实现了完整的六旋翼无人机控制系统硬件系统，组建了高精度的传 感器系统，并完成了飞行控制器硬件的设计与实现，完成了硬件调试工作以及驱动 的编写工作 。 第四章主要建立了六旋翼无人机的完整控制系统，其中包含位置控制部分、高 度控制部分以及 姿态控制部分， 建立了一套 完整的对姿态传 感器进行机械 防震与 数字滤波的方法，提出了一种新颖的气压计、超声波传感器和加速度计的融合方法， 通过实验验证了滤 波效果，提 出了一种优化的 拉力分配方法使 得系统的可靠性 得 到增强。 第五章主要分为两部分，第一部分介绍了飞行控制软件的设计，详细阐述了设 计过程中保证实时性与可靠性的理念，第二部分通过实际的飞行测试，证实了控制 系统的优秀性能。 7 第 2章 哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文） 六旋翼无人机数学模型的建立 本章完成了对于六旋翼无人机的模型建立，通过分析六旋翼无人机在飞行状态 下受到的力与力矩，运用牛顿欧拉方程建立了六旋翼无人机的力学模型，并建立了 控制系统的运动方程。 六旋翼无人机飞行机理分析 六旋翼无人机的机体结构如图 2示 z 6 2 x 4 y 图 2机体结构 为了简化分析，在 建立数学模型之前首先作出一些假设，首先，假定飞行器机 体具有足够的 机械强度，视为绝对刚体，不考虑机体变形所产生的影响；而且假定 飞行器的机体质量与机体转动惯量不变，保持为一常量，其次，假定旋翼亦为绝对 刚体，忽略旋翼运动时候所产生的摆动与扭转；最后，忽略上下旋翼之间的气动干 扰且假定机体为左右对称的结构，不存在机体质量偏置，两个旋翼在相同转速下提 供相同的升力。 坐标系定义 首先，对坐标系，俯仰角、横滚角、偏航角进行定义。 机体坐标系的 x 轴通过机体的重心，指向飞机的前进方向， y 轴通过机体的重 心，指向机体的左翼方向， z 轴通过飞机的重心，与 x， y 垂直指向飞行器的上方。 而大地坐标系采用西北天坐标系。姿态角定义如下： 俯仰角 (机体轴 x 与大地水平面间所夹角度，向下为正； 偏航角 (机体 轴 x 在大地水平面上的投影与大地坐标系中 x 轴之间所 8 夹角度，机头向左为正； 哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文） 横滚角 (机体轴 z 与过机体轴 x 的大地竖直平面之间的夹角，飞机向右 时为正。 四种基本运动 （ 1）上升下降：同时增加六个旋翼的转速或 者同时减小六个旋翼的转速可 以 增加或者减小旋翼所产生的总拉力，因此，在重力不变的前提下，可以实现六旋翼 无人机在垂直方向上的上升与下降。 （ 2）前飞、后飞：如图 2示，减小 3、 4、 5、 6 号旋翼的转速，同时增加 1、 2 号旋翼的转速，可以产生一个 y 轴上的正力矩，该力矩作用在机体上会造成 俯仰角 为正，即机体向前倾斜。这会导致旋翼所产生的总拉力在前进方向上有 一个正的分力，该分力会拉动机体向前飞行。同理，增大 3、 4、 5、 6 号旋翼的转 速，同时减小 1、 2 号旋翼的转速，可以产生一个 y 轴上的负力矩，该力矩 作用在 机体上会造成俯仰角 为负，即机体向后倾斜。这会导致旋翼所产生的总拉力在 前进方向上有一个负的分力，该分力会拉动机体向后飞行。 （ 3）左飞、右飞：增大 3、 4 号旋翼的转速并减小 5、 6 号旋翼的转速，可以 在 x 轴上产生一个正力矩，该力矩会导致机体的横滚角 为正，即机体向右倾斜。 这会导致旋翼所产生的总拉力在 y 轴上有一个负分量，该分力拉动机体向右飞行。 同理，减小 3、 4 号旋翼的转速并增大 5、 6 号旋翼的转速，可以在 x 轴上产生一个 负力矩，该力矩会导致机体的横滚角 为负 ，即机体向左倾斜。这会导致旋翼所产 生的总拉力在 y 轴上有 一个正分量，该分力拉动机体向左飞行。 （ 4）自旋运动：该六旋翼无人机采用上下并列的电机安装方式，其结构图如 图 2示 图 2共轴旋翼结构 上下旋翼的旋向相反，这样旋翼转动所产生的反扭矩相互抵消，不会造成机体 的自旋。在该六旋翼无人机的设计中，规定 1、 3、 5 号旋翼顺时针旋转， 2、 4、 6 号旋翼逆时针旋 转。六旋翼无人 机在偏航轴上 的转动是由旋翼 转动所产生的 反力 9 哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文） 矩实现的，由于 1、 3、 5 号旋翼顺时针旋转，则机体受到 1、 3、 5 号旋翼逆时针方 向的力矩。同理，由于 2、 4、 6 号旋翼逆时针旋转，则机体受到 2、 4、 6 号旋翼顺 时针方向的力矩。保持这两个力矩相等，六旋翼无人机将在偏航轴上保持不变。 增加 1、 3、 5 号旋翼的转速，减小 2、 4、 6 号旋翼的转速，将会在 z 轴上产生 一个正力矩，这会导致机体产生一个 z 轴上正的角加速度，进一步使得机体在 z 轴 上产生一个正的角度。同理，减小 1、 3、 5 号旋翼的转速，增大 2、 4、 6 号旋翼的 转速，将会 在 z 轴上产生一个负力矩，这会导致机体产生一个 z 轴上负的角加速 度，进一步使得机体在 z 轴上产生一个负的角度。 以上是对六旋翼无人机四种基本运动的定性解释。 六旋翼无人机机体结构设计 对于无人机的需求主要有电影拍摄、航拍摄影、电网巡线、油路巡线、军事侦 察、灾害探查等，针对需求进行分析，对于六旋翼无人机的基本要求有：具有一定 的载荷，易于携带，具有较强的环境适应性，对于恶劣的环境能够适应，具有一定 的续航时间。 首先，考虑到既要拥有一定的载荷和续航时间，旋翼不能过小，至少要达到 9 寸以上，才能够保证约为 500g 的载荷与 15 分钟以上的续航时间。 其次，考虑到要能够便于携带，六边形的结构无法满足这个需求。因此，采用 三轴六桨的机体结构，如图 2示。而展开的机翼无法满足便携的要求，因此需 要能够折叠机翼。 最后，考虑到对于恶劣环境的适应，需要冗余旋翼的存在，六旋翼相较四旋翼 的好处就在于冗余旋翼的存在使得无人机的抗风、抗恶劣环境的能力有较大提升。 机架选型 根据对机架的基本要求，最终选购了 机架，如图 2示 图 2架 图 2机架折叠状态 该机架机身部分采用碳纤维制作，电机座部分的连接件采用铝合金制作，重量 为 558g。它具有简易的折叠机构，每轴一根主螺栓固定，配合防滑螺帽锁定，可 以很方便地进行机 架的折叠与展开 。而这种 机械设计又能够 在保证便携性的 前提 10 哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文） 下，使得机体取得较高的机械强度，进而减少因为机体抖动对控制系统性能的影响。 该机架电机轴距 606合 11 寸旋翼的安 装。机身下部可以接驳云台固定架， 方便了硬件的扩展。 动力系统设计 旋翼型无人机通过调节电机转速从而实现对无 人机姿态的控制，而速度控制、 位置控制均通过核心姿态控制来实