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编号:哈尔滨工业大学大学生创新性实验计划项目验收书项目名称:无人飞行器协同控制项目级别: 国家级 (国家级、校级、院系级)执行时间: 2012 年 6 月至 2013 年 5月负责人:学号:联系电话:电子邮箱:院系及专业:指导教师:指导教师:联系电话:联系电话:院系及专业: 航天学院航天工程系飞行器设计专业哈尔滨工业大学本科生院填表日期: 2013 年 4 月 10 日一、课题组成员:(包括项目负责人、按顺序)姓名性别所在院年级学号身份证号本人签字二、指导教师意见: 签 名: 年 月 日三、院(系)专家组意见: 组长签名: ( 盖 章 ) 年 月 日四、学校专家组意见: 组长签名: ( 盖 章 ) 年 月 日五、项目成果:(一)申请专利情况:序号专利名称发明人专利申请号备注注:请将专利申请书复印件作为附件报送。(二)发表论文情况:序号论文题目作者刊物名及期号备注注:请将所发表论文及其当期刊物封皮、目录的复印件作为附件报送。(三)其它成果(软件、模型、图纸或作品等):序号名称说明1控制板原理图及PCB图根据任务需要,查找DSP F2808的相关资料,设计出飞控板原理图2飞控板电路板根据原理图制作出PCB板,然后买元器件请人焊接3四旋翼飞机模型4四旋翼飞机控制仿真5飞行控制软件六、项目研究结题报告1、课题研究目的近年来,无人机(UAV)的应用和研究广泛受到有关各个方面的重视。四旋翼无人机由于能够垂直起降(VTOL)、自由悬停,可适应于各种速度及各种飞行剖面航路的飞行状况,逐渐成为航空学术研究中新的前沿和热点。很多实验室和大学都有四旋翼无人机研究项目,许多研究机构成功开发了具备在简单约束条件下全自主飞行能力的四旋翼无人机,并经行了编队飞行协同控制的研究。而系统控制需要操控方便,运行平稳的飞行器,传统的直升机模型很难做到,但是四旋翼无人机却可以。为了了解四旋翼无人机的基本组成、控制原理以及编队飞行的相关原理,在老师的指导帮助下开展此次课题,制作四旋翼无人机,在条件成熟的基础上,尝试开展协同控制的研究。2、课题背景几年来,无人机(UAV)的应用和研究广泛受到有关各个方面的重视。世界主要国家在发展长航时无人机和无人作战飞机的同时,也在着力发展小型和微型无人机,不断研制无人机小型化,甚至微型化的技术。随着嵌入式处理器、微传感器技术、控制理论的发展,微机电系统技术也在军事、民用等各方面的应用,微型无人机可以完成超低空侦察、干扰、监视等各种复杂的任务。四旋翼无人机由于能够垂直起降(VTOL)、自由悬停,可适应于各种速度及各种飞行剖面航路的飞行状况。它具有如下几个特点:1)体积小、重量轻、隐蔽性好,适合多平台,多空间使用,可以在地面、军舰上灵活垂直起降,不需要弹射器、发射架进行发射;2)飞行高度低,具有很强的机动性,执行特种任务能力强,微小型四旋翼无人机飞行高度为几米到几百米,飞行速度为每秒几米到几十米,适应于建筑物等复杂地形;3)结构简单,成本低,安全性好,拆卸方便,易于维护。国外很多实验室和大学都有四旋翼无人机研究项目,斯坦福大学STARMAC工程先后改装了两款四旋翼无人机,其中STARMAC 使用GPS和惯导传感器可以跟踪预定航点轨迹飞行;STARMAC为其改进型,采用碳纤维结构,推力更大,在飞行过程中能自主控制高度和姿态,主要用于复杂环境中搜索、营救、监视和网络中移动传感器。STARMAC工程的目的是四旋翼系统有可靠的。完全自主航点跟踪的能力,使其成为一个测试平台,具备多飞行器协同飞行水平。该项目未来的发展目标是,运用多智能体技术来提高四旋翼协同飞行能力。四旋翼未来的发展趋势主要朝三个方向:1)智能传感技术;2)自主控制技术;3)多机编队协同控制技术。 3、课题研究主要内容研究内容分为两部分,第一部分为四旋翼飞行器的制作,该部分又分为硬件部分制作和软件部分编写;第二部分为系统控制研究,第一部分为理论研究,第二部分为实验研究。(1) 四旋翼飞行器制作硬件研究:为了制作四旋翼无人机,需要了解四旋翼无人机的基本组成。通过查阅相关资料,了解四轴飞行器制作所需要的硬件基础,如主控芯、无刷直流电机、螺旋桨、电调、传感器、电池等,设计出辅助电路并制作电路板,购买相关的器材,初步搭建出飞行器模型。软件研究:建立四旋翼无人机的六自由度数学模型,并在数学模型的基础上主要研究了PID控制和Integral Backstepping控制方法对飞行控制的影响,利用Matlab/Simulink建立相应的仿真模型,比较了两种控制方法的不同。四旋翼无人机是欠驱动系统,本项目对系统解耦合成俯仰,横滚和偏航三个轴的动作,分别对做了三个RBF神经网络整定的PID控制,达到了让飞行器稳定飞行的目的。(2) 协同控制的研究理论研究:了解无人飞行器协同控制开发需求和应用方法,选用长机僚机的飞行模式。设定预设的编队结构,通过对长机的航向速度、航向角和高度跟踪来调整僚机,达到保持编队队形的目的。了解长机、僚机、地面站之间的信息流处理以及相关的飞行控制原理。4、结论(成果介绍)(1)四旋翼无人机硬件设计根据项目调研及指导老师相关要求,选取DSP TMS320F2808作为我们飞行控制板的控制芯片,除了主控芯片TMS320F2808外以及外围电路外,还添加了用于连接外部传感器和设备的各种接口。如用于编程的JTAG接口、PWM信号输出的模块、集成了三轴加速度计、三轴磁场传感器、三轴陀螺仪的九轴传感器,用于无人机的姿态控制。另外还需要进行通信的无线电模块,以及四旋翼无人机所需要的机架、无刷电机、电调、螺旋桨、电池等。(2)飞行控制板设计通过对机器人控制及飞行器控制系统的研究,了解了四旋翼无人机飞行控制板的组成和作用原理。再根据我们项目所需要的特殊要求,设计出了符合我们自己项目需要的四旋翼无人机飞行控制板。并画出原理图,制作PCB板,搭建出无人机的硬件模型。各部分组成如图1所示:(3)四旋翼无人机动力学模型以十字型四旋翼飞行器为研究对象,如图2,并建立惯性坐标系E(OXYZ)和机体质心坐标系B(Oxyz),如图3所示。对四旋翼无人机作如下假设:1) 四旋翼无人机为刚体,且均匀对称;2) 惯性坐标系E的原点与四旋翼无人机几何中心及质心在同一点;3) 四旋翼无人机旋翼为刚体;4)四旋翼无人机的升力与旋翼转速平方成正比,即Fi=Ci2。图1 TMS320F2808主控芯片及外围电路图2 四旋翼无人机结构模型图图3 坐标系在图3中,分别定义符号如下:滚转角:Ox在OXY平面的投影与X轴夹角(绕x轴旋转);俯仰角:Oy在OYZ平面的投影与Y轴夹角(绕y轴旋转);偏航角:Oz在OXZ平面的投影与Z轴夹角(绕z轴旋转);升力Fi:四个旋翼分别产生的升力,i=1、2、3、4。根据相关文献资料可得四旋翼无人机运动方程组,表述如下mx=cossincos+sinsini=14Fi my=cossinsin-sincosi=14Fi mz=coscosi=14Fi-mg Ixx=Iyy-Izz +Jr1+3-2-4 +lF4-F2 Iyy=Izz-Ixx +Jr2+4-1-3 +lF3-F1 Izz=Ixx-Iyy +F1+F3-F2-F4 定义U1,U2,U3,U4为四旋翼飞行器的四个独立控制通道的控制输入量 U1U2U3U4=F1+F2+F3+F4F4-F2F3-F1F1+F3-F2-F4式中, U1为垂直速度控制量,U2为滚转输入控制量,U3为俯仰控制量,U4为偏航控制量。如图4所示 xxyyzz U1 U2U3U4 图4系统状态空间各量之间的联系忽略阻力、旋翼转动惯量等因素,整理后的数学模型如下 x=(cossincos+sinsin)U1my=( cossinsin-sincos)U1m z=(coscos)U1m-g =Iyy-Izz+lU2Ixx=Izz-Ixx+lU3Iyy=Ixx-Iyy+U4Izz(4)控制仿真1)PID控制通过Simulink建立仿真模型,仿真结果表明系统超调量较小,稳态误差几乎为零,响应速度较快,验证了PID控制的有效性。图5滚转角响应曲线图7偏航角响应曲线图6俯仰角响应曲线2)Integral Backstepping 控制为了建立较为精确地数学模型,在仿真过程中,考虑耦合项、陀螺仪效应、各轴毂受力等因素。以高度控制仿真为例,仿真结果表明:系统可以快速到达理想位置,误差较小;响应之后可以快速恢复稳定,验证了Integral Backstepping 控制方法的有效性。图8高度响应曲线图9滚转角稳定曲线 图10俯仰角稳定曲线图11偏航角稳定曲线图12 x轴速度稳定曲线 图13 y轴速度稳定曲线图14 z轴速度稳定曲线相关文献表明,PID控制在四旋翼无人机盘旋状态附近具有较强的适用性,但无法适应大扰动环境;Integral Backstepping控制具有很好的鲁棒性,能同时实现对高度、位置和姿态的控制。3) 飞行控制算法基于模块化设计思想,设计和实现四旋翼飞行器的飞行控制系统,主要包括了微处理器飞行控制模块、数据处理模块、旋翼伺服控制模块、传感器数据采集模块、无线通信模块。传感器检测子系统实时检测四旋翼飞行器的姿态等参数,对传感器检测回的数据进行整合处理,根据建立的飞行模型,基于自适应控制理论研究飞行器的姿态控制,表达出飞行器的空间状态矢量,完成对飞行器的姿态控制。软件方面对传感器数据融合的状态变量的估计是重点,处理器主要做了2项工作:一是即时融合,就是实时地根据加速度计的数值反推出陀螺仪积分应有的数值,然后根据当前的陀螺仪积分进行调整。二是长期融合,在代码里它用0.5秒的时间采集加速度计的数据,然后到0.5秒时对这些数据进行平均,依此来得到一个相对稳定的加速度计数值。根据这个数值来相对准确地知道飞行器这0.5秒的姿态,然后再修整调整量,做到自动稳定到平衡位置。由于飞行器运动的空间特性,共采用数字陀螺仪和1个三轴加速度传感器作为主要的飞行惯性反馈传感器,在进行系统状态量的估计时,采用卡尔曼滤波法,同时和通过加速度计测量值对系统状态进行验证,从而得到该系统的最优状态量,并实时更新系统的各参数。四旋翼微型飞行器是一种六自由度的垂直起降飞行器,但四旋翼直升机只有4个输入量却有6个输出量,所以它又是一种欠驱动系统。本项目对系统解耦合成俯仰,横滚和偏航三个轴的动作,分别对做了三个RBF神经网络整定的PID控制,达到了让飞行器稳定飞行的目的。控制算法中,对角速度做PI计算,P的作用是使四旋翼飞行器能够产生对于外界干扰的抵抗力矩,I的作用是让四旋翼飞行器产生一个与角度成正比的抵抗力,从而维持其姿态的稳定性。控制算法主要包括飞行控制主体模块、数据采集模块、通信模块、PWM信号控制模块等,从而实现对飞行器飞行控制。(5)协同控制理论研究:长机僚机模式实现多机编队飞行任务简化模型为两架无人机,将两架无人机分为长机和僚机,通过实时接收的双机数据信息,调用编队算法,发送控制指令信息完成对双机的实时控制。在实际的飞行过程中,整个控制系统按照双环路(外环和内环)的思想设计。针对领航跟随的长机僚机编队模式,要控制双机在整个飞行过程中保持不变或者在一定的距离误差范围内变化,控制策略要求维持和控制僚机与长机的相对距离和方位,长机跟踪预先给定的航迹飞行,僚机的编队控制器主要完成距离保持控制,因此僚机编队控制器的设计成为整个无人机编队过程的核心问题。控制器利用水平面和垂直面的通道完成,所有的算法将在双串口地面控制系统中完成,并将解算的控制指令通过硬件发送到各个飞机上。以实际的无人机为模型,在水平面上,直接输出速度和航向控制指令,通过反馈水平面双机的距离信息实现水平面距离跟踪,而将垂直面距离控制定义为僚机根据高度误差调整飞行高度,以实现垂直距离跟踪。这种控制策略的特点是基于预设的编队结构,通过对长机的航向速度、航向角和高度跟踪,来调整僚机,达到保持编队队形的目的。控制相对简单,但是这种控制结构会受到很大的干扰影响,因此针对其特点,很多科研人员采用了鲁棒控制方法、极值搜索控制方法、涡旋调整技术、自适应控制方法和变结构控制方法等多种技术,较好地实现了这种控制策略。这种方法的缺点也很明显,即出现突发事件后所有飞机的位置都必须重新计算,增加了计算机的负担。针对我们现有的知识及试验条件,以及对真实环境的理想简化,此次试验采用长机僚机模式的无人机编队控制,初步设想的研究分三步:第一步,长机采用遥控方式控制飞行,僚机跟随长机飞行,保持位置,距离在设定值;第二步,长机采用航迹规划方式控制飞行,同样,僚机跟随长机飞行,保持位置,距离在设定值;第三步,长机僚机采用自适应算法,保持一定的队形,设定目标电,无人机自动选择路线,在飞行过程中,达到位置保持,自动保障,队形变换等操作。但是这些还仅仅停留在理论研究方面。 图15 长机僚机模式的无人机编示意图5、经费使用情况物品数量价格无线模块2200电机及机架1500电池(含充电器)1500DSP开发板1520电子元器件1组231.4桨240串口转换2100九轴传感器1300DSP飞控板加工费1600总计2991.46、 问题、体会与收获立项之初,我们设想的很完美,本以为能在一年的时间里给所有的预想都能胜利完成。但随后在实施的过程中,我们逐渐发现面临很多的难题。首先,我们需要掌握很多之前没有学过的知识点,并且这些都需要自己在课下独立自学完成,只有这样才能建立完备自己的理论基础,为后面的课题打下坚实的基础。在这方面,我们完成的并不是很理想,最终只是学习了制作PCB板,学习了DSP飞行控制板的制作,最终设计制作了我们自己的DSP飞行控制板。因为理论的大量欠缺,自己弥补的也不够,最终无法对四旋翼无人机的协同飞行进行研究,没有完成最初设想。另外,在项目进行的时候,我们计划也出现了一些问题,开始是计划的不断调整,最终导致所定的计划超出我们能力范围,而制定的计划由于前期的无法完成而产生蝴蝶效应,实际进度总是落后于计划,最终导致计划无法完全实现。还有就是在实践过程中,我们发现自己的实际动手能力还很薄弱,因为之前从来没有参加过任何项目,对项目的实施有一定的迷惑,有时候甚至出现无从下手的感觉,只有在寻求学长的帮助下才能进行下去。问题虽然很多,但并不是没有收获。经历此项目,我们学习了专业课程中从未接触过的很多知识。例如DSP的开发和应用,电路板的设计与制作,建立了四旋翼无人机的动力学模型并进行了仿真,学会了四旋翼无人机的机构和制作。更重要的是,通过此次的科技创新训练,我们明白了团队协作的重要性,明白了制定合理计划的必要性,学会了很多处理问题、解决问题的能力和方法,这对我们日后的发展都很重要。经理这次科技创新训练,我们体会很深。因为之前没有接触了任何科研项目的缘故,开始实施时我们都很茫然不知所措,进过一段时间的锻炼、适应,慢慢开始了解科研的一般过程,消除了最初的恐惧,但也加深了对所不了解知识面的担忧。经过这个项目,我们开始了解自己学习的各种不足,我们不仅要学好理论基础,更要有动手意识,创新意识,还要学会各学科之间的协调配合,这样才能在未来的可言之路上走得更远。还有一点就是制定计划必须合理,要根据小组成员的实际情况而定,不能太脱离实际;而计划制定之后必须严格执行,不然会越拖越久,最终打乱整个项目的实施。7、建议(1)建议学校建设开放的实验操作中心,提供相应的设备和指导,方便我们进行课外实际操作的学习;(2)希望学校相关的部门简化复杂的审批手续,成立专门的部门专门处理创业创新的各项事宜。8、结束语与致谢不到一年的科技创新结题了,这中间包含了汗水与收获,包含了深厚的师生情意和同学友谊,以及师兄弟之间的关爱之情,这些都将使我受益一生。首先要感谢我们的指导导师教授!在我们的整个项目学习中,给我提供了许多宝贵的学习机会,指导我的学习方向,并耐心地解答我的疑问,热情地与我讨论相关的问题,督促我的课题进展,提出了许多宝贵的意见,使我各方面的能力都有很大的进步。同时,他严谨的科研态度和饱满的科研热情都是我永远学习的榜样。在此表示真诚地感谢!还要感谢博士生学长,感谢他对我学习给予的支持,帮助我们修改电路图和控制程序。最后,要衷心地感谢各位评审老师,感谢老师们抽出宝贵的时间帮助我们进行立项,中期检查,结题验收的各项活动,帮助我们找出问题,指出错误,指导我们在以后的学习工作中如何不断提高。9、参考文献1 王树刚.四旋翼直升机控制问题研究D.哈尔滨:哈尔滨硕士学位论文.2006.62 聂博文,马宏绪,王剑,王建文.微小型四旋翼飞行器的研究现状与关键技术J.电光与控制.2007(12):113-1173 周权.四旋翼飞行平台飞行控制和惯性导航研究D. 南京: 南京航空航天大学.2008年12月4 钱杏芳,王瑞雄等编著.导弹飞行力学M.北京:北京理工大学出版社.2012,65 洪森涛,金智慧等. 四旋翼飞行器建模及姿态稳定性分析J. 电光系统, 2008年6月, 第2期.6 I. Kanellakopoulos and P. Krein, “Integral-action nonlinear control of induction motors,” in Proc. of the 12th IFAC World Congress, (Sydney, Australia), 1993.7 Y. Tan et al., “Advanced nonlinear control strategy for motion control systems, ” in Proc. of (IEEE) Power Electronics and Motion Control Conference, (PIEMC00), (Beijing, China), 2000.8 王永林.Matlab/Simulink环境下无人机全过程飞行仿真技术研究D.南京:南京航空航天大学.2006 9 龚华军等.基于DSP的飞行控制器的设计M.兵工自动化.2005年第24卷第1期10 洪晔,缪存孝,雷旭升, 基于长机僚机模式的无人机编队方法及飞行实验研究,北京,北京航

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