四旋翼飞行器的建模与控制外文翻译

译文

四旋翼飞行器的建模与控制

摘要

迄今为止，大多数四旋翼空中机器人有是基于飞行玩具。虽然这样的系统可以作为原型，它们是不够健全，作为实验机器人平台。我们已经开发出了X-4传单，采用四旋翼机器人定制底盘和航空电子设备与现成的，现成的电机和电池，是一个高度可靠的实验平台。车用调谐厂带有板载嵌入式姿态动力学控制器以稳定飞行。线性单输入单输出系统控制器旨在规范传单态度。

1介绍

直升机的主要限制是需要广泛的，和昂贵，维护可靠的飞行。无人驾驶航空飞行器（无人机）和微型飞行器（MAV）旋翼机也不例外。简化了机械飞行机的结构产生明显的福利操作这些设备的物流。四转子是强大和简单的直升机，因为他们没有复杂的旋转倾转盘和联系在传统的旋翼机发现。多数四转子的飞行器从遥控玩具构建组件。其结果是，缺少必要的这些工艺可靠性和性能是切实可行的实验平台。

1.1现有的四旋翼平台

几个四转子工艺最近已开发用作玩具或进行研究。许多研究旋翼飞行器开始了生活作为市售的玩具，如作为HMX -4和Rctoys的Draganflyer 。未经修改的，这些工艺通常由光机身塑料转子。它们是由镍镉电池或锂聚合物电池供电，使用速度反馈的微机电系统陀螺仪。这些四转子一般没有稳定的稳态。

研究四旋翼添加自动稳定及使用各种硬件和控制方案。澳大利亚联邦科学与工业研究组织的如图1 ：X-4传单型号2的。四旋翼飞行器，例如，是一个Draganflyer衍生使用视觉伺服和惯性测量单元（IMU ），以稳定的工艺在一个被做成动画的目标。其他四转子包括Eidgenossische TECHNISCHE Hochschule的苏黎世' OS4 '[ Bouabdallah等，2004 ] ，皮带驱动飞与低纵横比的叶片; CEA的“X4- flyer'1 ，小四转子电机每四个刀片[ Guenard等，2005 ]。和康奈尔大学的自治飞行器，采用的爱好飞机螺旋桨的大型工艺。

图1 ：X-4传单型号2的。

澳大利亚国立大学（ANU）的X-4传单四旋翼微型飞行器（参照图1 ）的目的，以解决面对小规模的无人机的问题。在X -4是多比同类机器人重：它重4 kg总，是设计携带1千克的载荷。它有很强的碳纤维和铝底盘和高推力与重量比。所使用的电机和电池是现成的，现成的组件。马达直接驱动转子，消除需要一个变速箱- 机器人仅具有8 movingparts 。因此，传单是坚固，可靠，小范围的在飞行中发生灾难性故障。它承诺一个实用有效载荷能力与大量的飞行时间。

1.2当前发展的目标

高性能的转子和转速控制器已用于X -4传单开发的。这些都充分解决推力的产生和动态的问题电机的调速性能[磅等，2005 ] ，[磅等人，2007] 。此外，飞行动力学模型，包括旋翼拍打影响，推导出。一个3D模拟器机器人的生成工艺状态的轨迹用于多种配置，受到干扰。传单上当前工作旨在稳定飞机在滚动，俯仰和偏航。连续飞行要求俯仰和横滚角保持在零附近，除了当积极转换。飞行系统的自然不稳定需要积极的补偿。特殊的设计机箱结果在纯粹的发散不稳定俯仰和横滚，一个控制器可以很容易地正确。

在本文中，我们提出了X-4传单作为全功能的空中机器人。四旋翼动力学直

升机叶片扑了研究。我们估计从数据的系统参数，以产生一个数字工厂模式。根据六自由度气动模型我们推导动力学解耦在纵向（俯仰/滚动）和方位模式。控制的方法是优化机械设计这些动态控制并实现线性单输入单输出系统控制的解耦动力学。我们描述了用于稳定器的工艺仿真，然后去证明的在系留辊和螺距补偿功能飞行。

2 X-4硬件建设在X 4传单是从其他四旋翼车辆分开设置通过其较大的建设。它包括一个机箱，电机和动力电池，以及姿态控制和通讯航空电子设备。每个子系统中所描述详细如下：

2.1机壳

在X-4与碳铝车架中心纤维泡沫夹心武器。规则排列的安装点允许COG可以很容易地转移。电机和电池都从中心轴线为尽可能地安装可能。手臂角度略有下降，以提供更多的武器的底部和扑之间的间隙转子的提示。转子坐骑摇摇欲坠枢纽，驱动轴和转子之间的自由摆动关节叶片，从铝加工。叶片是螺钉夹紧转子之间安装顶部和底部板。

2.2驱动系统

在X-4的转子设计解除一个额外的传单30％的控制范围（大于超过520千克）。叶片是三- 层的碳纤维，其目的并制作的澳大利亚国立大学。的几何形状被设计成转子尖端弯曲到最佳工作角度在负载下。所使用的ANUX2翼型是一个自定义栏目对于转子的特产。转子由JETI相量30-3驱动三相无刷电机的无线电控制的飞机。他们提供高扭矩的性能，允许直接驱动转子，省去了齿轮。电机可以通过超过300瓦，额定可达35 A。定制电机控制板整流电机。这些由澳大利亚联邦科学与工业研究组织的昆士兰州开发中心高级技术信息和通信技术小组。该板是根据各地的飞思卡尔HC12D60A微处理器和东芝TB9060无刷电机转速控制芯片。功率由24锂聚合物2000毫安提供·H highdischarge细胞。每个单元有3.7伏的标称电压，范围从4.2 V完全充电，并下降到3 V在枯竭。每个单元可以提供高达20 A的电池被连接到6平行设置的电源总线四个单元串联的，也就是说，14.8 V额定电压和120每电机电流消耗。这给了一个传单预计为11分钟的飞行时间，悬停速度。

2.3 控制该工艺是通过板载嵌入式HC12稳定控制器。该控制器由澳大利亚联邦科学与工业研究组织读取态度Eimu IMU提供的角速度和加速度测量和角度位置估计在50 Hz 。该控制器的输出转速参考电机控制卡通过CAN总线，同时在50 Hz 。

2.4 命令和遥测

人类的方向有关机器人和信息在X - 4的状态的传送是在一个长距离蓝牙连接到一台笔记本电脑基站串口模块运行Linux 。蓝牙单元具有射程可达到100μm 。从传单遥测由记录基站和屏幕上的显示。用户可以发出使用键盘和一个通过笔记本电脑的命令JR- X3810无线手机。无线手机也能触发安全开关杀在X -4独立，蓝牙通信信道，用一个板上的无线电接收器。在一个紧急切断开关可以立即停止转子通过禁用电机控制电路板，即使数据通信丢失。

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3四转子动力学

在[英镑等人，2004 ]中描述的动态模型加入铰接式旋翼扑在基本的四旋体动力学模型。当前配置在X - 4传单并不纳入枢纽弹簧原本包含在模型中。作为结果，振荡方程可以大大简化：

图2 ：扑四旋翼自由体图。

右手惯性系记为I = {前，安永，EZ } ，其中x是的前面对齐工艺和z是在重力的方向上，和= （的x，y ，z）的是身体固定框A = { EA的起源1 ，EA2 ，EA3}。帧A是由旋转矩阵与我R：A ！一，V和是线速度和角速度在A（参见图2 ）的框架。

该方程为：