四旋翼无人机小论文介绍

1、四旋翼无人机自适应导航控制通过在课堂上老师讲解的关于导航和制导的一些基本知识，我对导航这门学 问产生了极其浓厚的兴趣。在课下，我通过自己查找一些相关的文献和资料对于导 航的知识进行了进一步的学习，下面我将针对“四旋翼无人机自适应导航控制”这 篇论文，对我学习到的一些基础知识进行一下简要的介绍。但由于时间以及知识储 备有限，所以并没有作深入的研究。首先，本篇论文主要研究的内容是四旋翼( Quadrotor )无人机的导航问题 解决了传统导航方法的目标定位误差和实时性差等问题。主要采取的控制方法是基 于CLoSi术的导航控制方法。下面我将针对论文中的每个部分进行简要的介绍， 并阐述一下我所学习到的

2、一些基本知识。1. 引言在第一部分“引言”中，作者主要针对现阶段四旋翼无人机在国内外的一些 基本发展现状进行了简要的介绍，并说明了本篇论文所解决的问题所具有的一些实 际的意义，最后概括的介绍了基于 CLOS技术的导航控制方法的一些基本情况。通过查阅相关资料，我主要有以下两个方面的收获：第一， 是关于四旋翼无人机的基本发展情况的了解。从国内情况来看，国内四旋翼无人机的研究水平相对滞后，同一些科技相对 发达的国家尚有一定差距；其次，国内的无人机研究近些年来主要集中在北航，南 航等一些知名的院校，主要研究的课题包括无人机的自主导航试飞等方面。从总体 情况来看，国内的四旋翼无人机领域开发不深，有许多可

3、以深入探究的地方。与国内相比，国外的四旋翼无人机研究水平则相对较高，国外无人机的发展 在一定程度上是和一些科研竞赛是息息相关的。比较知名的如“国际空中机器人大 赛(IARC) ”，该项赛事在一定程度上反映了国际上对无人机研究的程度，是一项国 际公认的比赛。此外，我还了解到了无人机的发展历史，下面做简要的阐述：1.1907 年，法国 Breguet 兄弟制造了第一架四旋翼式直升机 Breguet - Richet “旋翼机 1 号”，这次飞行中没有用到任何的控制，所以飞行稳定性是很 差。2.1921 年， George De Bothezat 在美国俄亥俄州西南部城市代顿的美国空 军部建造了另一

4、架大型的四旋翼直升机，先后进行了 100 多次的飞行试验，但是仍 然无法很好的控制其飞行，并且没有达到美国空军标准3.1924年，出现了一种叫做OemiChen的四旋翼直升机，直升机首次实现了 Ikm的垂直飞行。4.1956 年， Convertawing 造了一架四旋翼直升机，该飞行器的螺旋桨在直径 上超过了 19 英尺。5. 近十几年来，随着微系统、传感器以及控制理论等技术的发展，四旋翼垂 直起降机又引起人们极大的兴趣。研究集中在小型或微型四旋翼飞行器的结构、飞 行控制以及能源动力等方面。第二，是关于CLO战术的简要了解。CLOS技术是以CLOS网络为基础的。为了降低多级交换网络的成本，长

5、期以 来人们一直在寻找一种交叉点数随入、出现数增长较慢的交换网络，其基本思想都 是采用多个较小规模的交换单元按照某种连接方式连接起来形成多级交换网络。 CLOSt次构造了如图所示的N X N的无阻塞交换网络。采用足够多的技术，对于 较大的N,能设计出一种无阻碍网络，其交叉点数增长的速度小于公式1。也就是说，使用CLOS网络，既可以减少交叉点数，又可以做到无阻塞。图1 3级CLoS络示意图2.四旋翼模型第二部分主要介绍了本论文中所采用的四旋翼无人机的构成部件基本情况以 及其数学模型。本论文中所选用的四旋翼无人机是ParrOt AR.Drone。它是用iPhone遥控的4轴飞行器，支持实景多人对战

6、。通过了解，我发现 AR.Drone主要 具有以下四大功能：第一，可以利用iPad iPod和iPhone控制。第二，可以通过 wi-fi来进行2人对战游戏。第三，可以通过屏幕来观看实时影像。第四， AR.Dro ne遥控飞行器在室内室外都可以用。该飞行器具有四个螺旋桨，可以选择 四个环形对螺旋桨进行保护。飞行器提供任何飞行角度，机体前方和下方带有摄像 头，拍摄画面实时传送。此外，飞行器还具有重力感应、陀螺仪等部件，拥有智能 飞行技术，自动矫正风力和环境误差，看上去很是吸引人。此外，2台以上Ar.Drone可模拟空战游戏，使得ParrOt AR.Drone完全不在等同于一般的航模遥 控飞机，而

7、玩家只需要到苹果 APP Store中下载相关软件即可。图2 ParrOt AR.Drone 四旋翼无人机本部分内容还介绍了该四旋翼无人机的数学模型J? = EiIIroOSin i? SUI-SijI / coSeSiHpSIn "sin +cOE 岁 Co 炉Qog稹对n®COfSuIC + sin sm GSinSincos -CCti 9rslf,cos 仪 3,其中，R为同质性矩阵变换3. CLoS系统的自适应导航控制设计第三部分内容是本篇论文的重点内容，是论文的精华所在。第三部分主要分为三块来介绍：第一块内容中主要介绍了 CLOS系统。通过相关公式的推倒介绍，详

8、细的阐述T COLS技术的理论基础，并做出如下假设：假设在 QUadrOtOr导航情况下，停机 坪沿Z轴没有任何移动，因此，停机坪高出地面的高度可假定为常数 ；这个假设 可以将QUadrotor导航问题简化为一个二维参考坐标系统。CLOS系统保持QUadrotor沿QUadrotor和停机坪中心之间的视线移动，下图中描绘了QUadrotor映射到x-y平面，Range =2 -ICFy2为QUadrotor与停机坪中心之间的距离。图3二维场景的CLOS系统主要公式如下:(x rxI 二-4斯=略/ Jr- = (>?IIaX+ iIij<, I JrJ.IUlLfil ( l,lI

9、ft MInSlrlIrllH IC. + MIl ll . ¾ III k I 4I州TiIiL:Vh =X- I. IHfc*-f <-ipt J r*Jf =:Frr平几-IfIll叫知ISy = J沖= JllJflz - -½lff<+g丿I IftiL小 IAlnM' tt' * -<tI*L1 = *jdJ + w+第二块内容主要介绍了基于 CLo战术的导航控制的相关参数。其主要参数包括：（1）QuadrOtOr的姿态角（, ）。（ 2）QuadrOtOr与停机坪之间的 距离R°（ 3）直线视线角度。但是，虽然其姿态

10、可以由一个适当的陀螺仪传感 器帮助直接测量，R和的测量却是间接的，因此需要更加深入的思考该问题。 下图是QUadrotor与停机坪在本地NE参考坐标系中的相对位置。AB图4 QuadrOtOr与停机坪在参考坐标系中的相对位置第三块内容主要介绍了基于 CLoS系统的自适应导航控制系统设计，是本文 的精髓。本部分是对上面介绍的无人机的导航系统的优化。这里面假设和能够借助合适的传感器被随时测量。则可以得到上述运动方程的改写形式如下：R = VP * ros( CtIt - ) - Vif C(W( av -()= c<)suc<js + FP t si -Kl L OSfttJcob -

11、 I .j BiiIa(J BindI Il Jiinflfl = KP si( (Tj. - )KVr ! H HV;. I I FeI vina,jrow + 通过变量替换和化简，我们可以得到上述两个式子的简化形式R Vftcot + Vffsir LJJgm - I m, 1 = VftrCosd - Kind - KArCoe9 + PFeind)选择Xl=RJX2 1= 作为状态变量,Wl =rUi =r作为控制输入，在状态空间模型中，上述两个非线性方程可以用山心N作为模型的两个测量扰动来表示。可以得到：l * <'OSV1 + f1 * siu2 - Wl CnSJV

12、i m Si,V1X = B( X)u + D( ) r/一 -COKA 3- sin,)-ainx1匚口罚工2D( x)=im2KiILVl-対蘇 -这就是论文中所介绍的自适应导航控制系统的设计过程。4.仿真结果第四部分主要是通过 matlab仿真过程，来验证上面所设计的自适应导航系统 的基本性能和有效性。下图显示了从二维坐标系下的顶视图的导航控制系统的性能，QuadrOtOr从起始位置起飞，然后向固定停机坪巡航。通过仿真结果，我们可以看出在停机坪固定的情况下控制系统的有效性。在这个实验中 QuadrOtOr和停机坪之间的定位是相当准确的.斗心血dIr 4JfiJ Jfl (LLIIU) Jl牲It *!Ul 一 TfA O * HV«1 cz 瞅离龄 e图5路径方向