四旋翼无人飞行器控制技术1

四旋翼无人飞行器控制技术,邱丽qiuli,四旋翼无人飞行器控制技术,1、自动控制系统的预备知识2、四旋翼飞行器概述3、飞行原理4、四轴飞行器组成5、控制方法,在没有人直接参与的情况下，利用外加的设备或装置（称为控制装置或控制器），使机器、设备或生产过程（通称被控对象）的某个工作状态或参数（即被控量）自动地按照预定的规律运行。,自动控制,1、自动控制系统的预备知识,自数控机床、室内温度控制、机车、船舶及飞机自动驾驶、导弹制导等等。,应用领域,1、自动控制系统的预备知识,人工控制恒温箱过程,观察恒温箱内的温度（被控制量）与要求的温度（给定值）进行比较。得到温度偏差的大小和方向根据偏差大小和方向调节调压器，控制加热电阻丝的电流以调节温度回复到要求值。,人工控制恒温箱调节过程,人工控制过程的实质,检测偏差再纠正偏差,人工控制恒温箱系统功能框图,恒温箱自动控制系统框图,恒温箱自动控制系统工作原理,恒温箱实际温度由热电偶转换为对应的电压u2恒温箱期望温度由电压u1给定，并与实际温度u2比较得到温度偏差信号u=u1-u2温度偏差信号经电压、功率放大后，用以驱动执行电机，并通过传动机构拖动调压器动触头。当温度偏高时，动触头向减小电流的方向运动，反之加大电流，直到温度达到给定值为止，此时，偏差u=0，电机停止转动。,恒温箱自动控制系统功能框图,从恒温箱控制系统功能框图可见,给定量位于系统的输入端，称为系统输入量。也称为参考输入量（信号）被控量位于系统的输出端，称为系统输出量。输出量（全部或一部分）通过测量装置返回系统的输入端，使之与输入量进行比较，产生偏差（给定信号与返回的输出信号之差）信号。输出量的返回过程称为反馈。返回的全部或部分输出信号称为反馈信号。,控制系统的工作原理,检测输出量（被控制量）的实际值将输出量的实际值与给定值（输入量）进行比较得出偏差；用偏差值产生控制调节作用去消除偏差，使得输出量维持期望的输出,由于存在输出量反馈，上述系统能在存在无法预计扰动的情况下，自动减少系统的输出量参与输入量（或者任意变化的希望的状态）之间的偏差，故称之为反馈控制显然：反馈控制建立在偏差基础上，其控制方式是“检测偏差再纠正偏差”,这种基于反馈原理，能对输出量与参考输入量进行比较，并力图保持两者之间既定关系的系统。称为反馈控制系统，反馈控制系统具有量测、比较和执行三个基本功能,注意,反馈控制系统中，反馈信号是与给定信号相减，使偏差越来越小，称为负反馈。负反馈控制是实际自动控制最基本的方法。,闭环控制系统：按偏差进行控制，较高的动静态控制性能；结构、线路复杂，系统分析与设计较复杂。开环控制系统（顺序控制）：系统输出量对系统的输入量不产生影响，结构简单、调整方便、成本低,自动控制系统的基本形式（根据有无反馈）,优势,垂直起降悬停、倒飞、侧飞能力螺旋桨小，飞行安全结构简单，控制灵活,四旋翼结构图,2、四旋翼飞行器概述,用途,国际四旋翼无人直升机研究方向,基于惯性导航的自主飞行控制基于视觉导航的自主飞行控制多智能体群控制,3、四旋翼飞行原理（以MK为例）,四轴飞行器有四个电机呈十字形排开，驱动四片桨旋转产生推力。四电机距几何中心距离相等，对角两轴产生升力相同时保证力矩平衡四电机一对正转，一对反转使得竖直轴方向旋转的反扭矩平衡，保证四轴航向的稳定。,3、四旋翼飞行原理（以MK为例）,Mk规定四轴电机的排布方式如图示：前（1号）、后（2号）、右（3号）、左（4号）。1,2号电机顺时针方向旋转，3,4号电机逆时针旋转。四个电机的转速做相应的变化即可实现四轴横向、纵向、竖直方向和偏航方向上的运动。,3、四旋翼飞行原理（前方运动）,前方运动：3,4号电机保持转速不变，1号电机转速下降，2号电机转速上升，此时2号电机产生的升力大于1号电机的升力，四轴沿几何中心向前倾转，桨叶升力沿纵向的分力驱动四轴向前运动。,3、四旋翼飞行原理（左转）,转左：1,2号电机保持转速上升，3,4号电机转速下降，使向左的反扭矩大于向右的反扭矩，四轴在反扭矩的作用下向左旋转。,3、四旋翼飞行原理（左转）,四个桨产生的推力，超过或者低于四轴本身重力的时候能够实现竖直方向上升与下降的运动，当桨的升力与四轴本身的重力相等的时候即实现悬停。,4、MK版四轴飞行器组成,一个飞控板，四个无刷电机电调、四个无刷电机、一对正桨，一对反桨，一个机身，一块锂电（34节），一套大于等于4通道的遥控器和接收机,5、控制方法,四旋翼无人飞行器控制系统简图,关键技术,最优化总体设计设计原则：重量轻、尺寸小、速度快、能耗低动力与能源提高动力装置效率，采用高效能源数学模型的建立飞行控制研制可以精确控制飞行器姿态，并且具有抗干扰能力强和