基于可变螺距四旋翼的研究
基于自适应控制的四旋翼飞行器设计与控制研究
基于自适应控制的四旋翼飞行器设计与控制研究随着现代科学技术的发展，基于自适应控制的四旋翼飞行器设计与控制研究已成为热门话题之一。
四旋翼飞行器作为一种无人机被广泛应用于救援、勘探、军事、电影等各个领域。
因此，研究如何设计合理的控制系统和提高飞行器的动态性能是非常关键的。
一、四旋翼飞行器结构四旋翼飞行器的结构非常简单，主要由四个电机、四个桨叶和一些基础电子器件组成。
四个电机各自控制一个桨叶，使得飞行器能够进行各种复杂的空中运动。
由于四旋翼飞行器的特殊安装方式，能够实现垂直起降，而不需要长距离滑跑。
然而，飞行器的运动性质以及它的空气动力学特性都是非常复杂的。
在飞行器飞行的时候，要具有很好的控制能力以及对各种复杂气流状况的适应能力。
这就要求我们设计出一种可以自适应控制的控制系统。
二、四旋翼飞行器控制系统而在现代无人机的设计中，控制系统的设计和表现是非常重要的。
四旋翼飞行器的控制系统主要分为两个部分:飞行器的运动控制和运动稳定。
飞行器的运动控制可以控制飞行器的位置、速度、姿态、平衡等。
运动稳定则可以保持飞行器在其所在的状态下，具备稳定性和不同的飞行模式。
基于自适应控制的四旋翼飞行器控制系统主要根据飞行器所处气流的不同状况进行各种调整和控制。
在这个过程中，程序会对飞行器的一些基本运动参数进行监控，如角速度、加速度和位置等。
当这些参数在特定范围内时，控制系统会自动调整以保持飞行器稳定。
如果飞行器遇到气流变化或者改变了飞行方向或高度，系统就需要根据不同的气流和飞行环境进行调整和控制。
三、基于自适应控制的四旋翼飞行器控制系统的设计基于自适应控制的四旋翼飞行器控制系统的设计非常关键，因为成功的飞行需要一个强大且自适应的控制系统。
为了达到这个目标，在设计时需要注意以下几点：1. 传感器选择：传感器用于测量飞行器的加速度、角速度和位置等参数，因此它们的准确性和精度非常重要。
2. 控制算法选择：控制算法是决定整个控制系统性能的关键因素。
四旋翼直升机的动力学原理
冯如杯论文《四旋翼飞行器的设计与控制》院（系）名称机械工程及自动化学院作者姓名薛骋豪学号35071422指导教师梁建宏2008年3月22日四旋翼飞行器的设计与控制薛骋豪摘要四旋翼直升机，其主旋翼分成前后与左右两组，旋转时方向相反，因此与一般直升机最主要的不同点为四旋翼直升机不需要用尾旋翼来平衡机体。
因为四旋翼直升机为不稳定系统，因此需利用旋转专用的感测器：陀螺仪来感知机身的平衡程度并将讯号传送至微控制器，再通过微控制器内部程序的运算产生控制信号来控制机体上四个旋翼的转速，以维持整个机身的平衡促使四旋翼直升机能顺利飞行。
关键词：四旋翼、VTOL（垂直起降）、矩阵控制、AbstractQuadrotor, its main rotor divides into with two about groups from beginning to end, in opposite direction while rotating, so Quadrotor and does not need to fasten the wing and having the balance organism for four with the end with the main difference of general helicopter. Whether four fasten wing helicopter stable system, need to utilize and rotate the special-purpose detecting device. The gyroscope comes to perceive balancing the degree and conveying the signal to the little controller of the fuselage, and then produce the control signal to control four rotational speed of fastenning the wings on the organism through the operation of the procedure within the little controller, impel four to fly smoothly while Quadrotor for the balance of maintaining the whole fuselage.Key words: Quadrotor、VTOL(Vertical Take-Off and Landing)、matrix control目录1、绪论 (3)2、正文 (4)2.1、四旋翼直升机的动力学原理 (4)2.2、四旋翼直升机的控制系统 (6)3、结论 (9)4、致谢 (10)5、参考文献 (10)1、绪论关于四旋翼直升机系统的研究动机与其它飞行原理相比较，VTOL（垂直起降）系统有特性能够完成对其他飞行器来说非常困难的或者不可能执行的任务。
基于PWM的四旋翼飞行器控制方法
军用运输机转子的结构体两者相结合 ，实现了四旋翼飞行器军事新型机的应用 ，提高了飞行器的作战能 力。21 世纪， 网络信息时代飞速发展。 美国 Parrot AR Drone 和苹果公司推出了通过 iphone 手机蓝牙、 WiFi 控制四旋翼飞行器飞行的新产品 。 笔者应用 ATMEL 公司 AVR 微控制器为核心 IC （ Intergrated Circuit ） 的 MCU （ Micro Control Unit ） 四旋翼飞行器控制系统，调制 PWM （ Pulse Width Modulation ） 信号输出占空比驱动无刷直流电机。 通
［3 ］ 过四旋翼飞行器工作原理的分析 ，开展对四旋翼工作模式与控制参数的研究 ，得到相应的控制算法， 然后编程、仿真，实现四旋翼飞行器飞行姿态控制的研发 。
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四旋翼飞行器的控制Biblioteka 统四旋翼飞行器系统总体架构
飞行器系统包括动力驱动系统，飞行主控控制系统，无线遥控模块。其中动力驱动系统主要由无刷 直流电机、Atmega8 芯片、霍尔器等构成。 飞行器主控控制系统主要是由 Atmega16 芯片、 传感器和陀 螺仪等构成。无线遥控模块主要是由 2. 4 GHz 的遥控器构成。四旋翼飞行器系统架构如图 1 所示。
0
引
言
四旋翼飞行器，也称四旋翼直升机或十字翼直升机 ，是由 4 个转子推动飞行的直升机。通过改变每 个转子的相对速度改变推力，从而改变每个扭矩实现对方向和速度的控制 。四旋翼飞行器发展了近一个 世纪，从原来机械时代直径十几米长、几米高的庞然大物，到当今电子时代直径几十厘米甚至更小的微 型 “碟形” 飞行器。其实用性也从原来单纯的运载工具， 发展为现在集军用、 商用、 民用多位一体的 无人驾驶工具。 目前，国内的四旋翼飞行器的发展还处于初级发展阶段 ，缺乏独自的核心技术，能应用于专业领域
四旋翼无人机自主飞行控制方法研究综述
目录第一章选题背景和意义 (1)1.1选题背景 (1)1.2国内外研究现状及发展动态 (2)1.3四旋翼飞行控制器设计方法 (6)1.4论文选题的意义 (7)第二章研究方案 (8)2.1研究目标 (8)2.2研究内容 (8)2.2.1 四旋翼飞行器的基本结构和飞行原理 (8)2.2.2 四旋翼无人机自主飞行的控制 (12)2.2.4 四旋翼无人机稳定控制算法实用性分析 (14)2.3拟解决的关键问题 (14)2.3.1 无人机数学模型的建立与仿真 (14)2.3.2 四旋翼自主飞行抗扰控制器的设计与仿真 (15)2.4拟采取的研究方法及技术路线 (16)2.4.1 四旋翼无人机数学模型的建立 (16)2.4.2四旋翼自主飞行抗扰控制器的设计与仿真 (18)2.5可行性分析 (20)第三章预期研究成果与计划安排 (21)3.1预期研究成果 (21)3.2计划安排 (21)参考文献 (22)第一章选题背景和意义1.1 选题背景无人机（Unmanned Aerial Vehicles, UA V），通过在机体内装备的自主程序控制飞行或根据地面控制站无线遥控设备的操纵指令控制飞行。
近年来，以其体积小、成本低、适应性强、机动性隐蔽好、可重复使用、可替代人执行危险性大的作战任务等特点成为国内外研究的热点，并逐渐在军事、民用等诸多领域展现出巨大的应用潜力[1]。
通常无人机分为旋翼式无人飞行器和固定式无人飞行器[2]。
固定式无人飞行器出现的较早，自20世纪60年代初，美国首次使用无人机进行军事探查，并在之后的战争中起到巨大的效果，如参与中东海湾战争的“先锋”舰载无人机、科索沃战争的“掠夺者”无人机、阿富汗战争和伊拉克战争中的“捕食者”和“死神”系列无人机、“全球鹰”战略无人侦察机[3]。
随着微机电、通信、新材料和控制方法等科技的完善和研究，使得早期旋翼式无人飞行器相对复杂的工程应用找到了有效的解决方式，并且能够更好地满足如今越发复杂化的作战环境和要求。
基于FMRLC的四旋翼无人机姿态控制研究
基于FMRLC的四旋翼无人机姿态控制研究随着技术的发展，如今四旋翼无人机飞控系统中的姿态控制模块已经摒弃了最初使用的传统PID控制方式，大多数采用模糊PID控制方式，其核心是模糊规则和隶属函数的制定。
但是由于上述两者一般通过技术人员的经验来确定，所以并不能完全保证其正确性和精确性，为了弥补这个不足，文章提出了基于模糊模型参考学习控制（FMRLC）的模糊自适应PID控制方式，使得飞控系统在运行的过程中根据无人机实际飞行效果来发现原有规则和隶属函数的不足，并对其作出实时修正，使系统性能得到不断改善，进一步优化控制效果，增强四旋翼无人机的悬停以及飞行稳定性。
标签：四旋翼无人机；模糊自适应PID；模糊模型参考学习控制；飞行测试1 概述四旋翼无人机的姿态控制方法有多种，但最常用的当属PID控制。
经典PID 虽然最为简单实用，但由于PID参数固定需手动调节的问题，对于外部环境和数学模型多变的无人机来说需要频繁的参数整定，既繁琐又耗时。
针对这个缺陷，近年来出现了基于模糊PID控制的姿态解算方法，此种方法可根据事先制定好的控制规则和隶属函数使系统自行调节PID参数，克服了传统PID的缺点[1]。
但模糊PID控制的效果非常依赖于控制规则与隶属函数，为了使上述两者向更加合理的方向趋近，本文提出基于模糊模型参考学习控制（FMRLC）的模糊自适应PID控制方法，本方法可根据无人机的实际飞行效果与理想参考模型的对比来对模糊控制规则和隶属函数进行实时修正，进一步优化模糊PID姿态控制效果，增强四旋翼无人机的飞行稳定性。
2 基于FMRLC的模糊自适应PID姿态控制四旋翼无人机的姿态控制有四个通道，分别控制油门以及横滚角、俯仰角、偏航角三个姿态角，其中影响无人机空中自稳性能的通道为横滚角和俯仰角，由于四旋翼无人机机体的对称性，所以横滚角与俯仰角通道在控制方式以及PID 参数调节方面具有相似性，本文以这两个姿态角通道进行研究。
模糊模型参考学习控制（FMRLC）的控制结构图如图1所示，图中下方虚线框内为传统模糊PID控制的结构，其输入为横滚角误差e和误差变化率△e；输出为PID参数变化量△Kp、△Ki、△Kd。
一种基于单位四元数的四旋翼编队反演控制方法
０ 引 言
近年来，小型无人机发展迅猛，四旋翼无人飞行器由于结 构简单、易于控制，受到研究者们的广泛关注。四旋翼无人机 能够实现垂直起降、自主悬停等功能，在不确定环境以及危险 环境中能够高效的执行任务。无人机编队通过多无人机的协同 飞行使系统的综合效能大大提高。随着任务日趋复杂，无人机 数量逐渐增多，对编队控制提出了更多更高的要求。无人机编 队控制是多无人机协同控制的重要研究方向。
编队控制的研究方法主要有领航跟随法、虚拟结构法、基 于行为法和 图 论 法［１］。 目 前 较 为 主 流 的 是 将 上 述 方 法 融 合 使 用，取长补短。早期的编队控制主要采用集中式控制方法，其 特点是精度高、便于控制，但是要依赖于中央控制单元的计算 能力和全局通信能力，随着编队成员的增加，中央控制单元的 计算量呈指数增加，缺乏可拓展性和灵活性。后来人们提出分 布式控制方法，每架无人机只与相邻的无人机进行通信，利用 无人机自身的计算能力，得到周边无人机的相对位置关系，对 比期望的编队队形，对无人机的实际位置进行修正进而消除队 形误差。
（ＤｅｐａｒｔｍｅｎｔｏｆＵＡＶ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＯｒｄｎａｎｃｅＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＣｏｌｌｅｇｅ，Ｓｈｉｊｉａｚｈｕａｎｇ ０５００００，Ｃｈｉｎａ） 犃犫狊狋狉犪犮狋：Ｆｏｒｍａｔｉｏｎｃｏｎｔｒｏｌｕｎｄｅｒｉｄｅａｌｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓｉｓｓｔｕｄｉｅｄｆｏｒｑｕａｄｒｏｔｏｒ ＵＡＶ．Ｔｈｅｑｕａｄｒｏｔｏｒ ＵＡＶ ｈａｓｃｏｍｐｌｅｘ ｍａｔｈｅｍａｔｉｃａｌｍｏｄｅｌ．Ｆｉｒｓｔｏｆａｌｌ，ｔｈｅｑｕａｄｒｏｔｏｒｉｓｄｅｃｏｍｐｏｓｅｄｉｎｔｏｔｗｏｉｎｄｅｐｅｎｄｅｎｔｓｕｂｓｙｓｔｅｍｓｏｆｐｏｓｉｔｉｏｎａｎｄａｔｔｉｔｕｄｅｂｙｔｈｅｑｕａｔｅｎｉｏｎｄｅ ｓｃｒｉｂｉｎｇｉｔｓｄｙｎａｍｉｃｓａｎｄｋｉｎｅｍａｔｉｃｓｍｏｄｅｌ．Ｔｈｅｔｒａｃｋｉｎｇｄｅｖｉａｔｉｏｎ ｍｏｄｅｌｉｓｅｓｔａｂｉｌｉｓｈｅｄｂｙｉｎｔｒｏｄｕｃｉｎｇｄｅｖｉａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｅｘｐｅｃｔｔｒａｃｋ．Ｏｎｅ ｍｅｍｂｅｒｉｎｔｈｅｆｏｒｍａｔｉｏｎｉｓｓｐｅｃｉｆｉｅｄａｓｌｅａｄｅｒ．Ｂｙｃｏｎｓｅｎｃｕｓａｌｇｏｒｉｔｈｍｔｈｅｆｌｅｅｔｇｅｔｓｔｈｒｏｕｇｈｔｈｅｇｅｏｍｅｔｒｉｃｃｅｎｔｅｒａｓｔｈｅｅｘｐｅｃｔｔｒａｃｋ．Ａｔｉｍｅ ｖａｒｙｉｎｇｆｅｅｄｂａｃｋｃｏｎｔｒｏｌｌａｗｔｈａｔｍａｋｉｎｇｆｏｒｍａｔｉｏｎｓｔａｂｉｌｉｚａｔｉｏｎｉｓｄｅｓｉｇｎｅｄｆｏｒｅａｃｈｑｕａｄｒｏｔｏｒｗｉｔｈＢａｃｋＳｔｅｐｐｉｎｇｍｅｔｈｏｄ．Ｆｉｎａｌｌｙ，ｔｈｅｅｆｆｅｃ ｔｉｖｅｎｅｓｓｏｆｔｈｉｓａｌｇｏｒｉｔｈｍｉｓｓｈｏｗｅｄｔｈｒｏｕｇｈｔｈｅｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｒｅｓｕｌｔｓ． 犓犲狔狑狅狉犱狊：ｆｏｒｍａｔｉｏｎｃｏｎｔｒｏｌ；ｑｕａｄｒｏｔｏｒ；ｑｕａｔｅｒｎｉｏｎ；ｂａｃｋｓｔｅｐｐｉｎｇ；ｆｏｌｌｏｗｅｒｌｅａｄｅｒ
四旋翼直升机控制问题研究共3篇
四旋翼直升机控制问题研究共3篇四旋翼直升机控制问题研究1四旋翼直升机控制问题研究随着无人机技术的不断发展，四旋翼直升机越来越受到人们的关注。
四旋翼直升机具有结构简单、维护成本低、悬停能力强等特点，因此在航拍、搜救、农业、环保等领域已经得到广泛应用。
然而，四旋翼直升机的稳定性和控制问题一直是研究的热点。
本文对四旋翼直升机的控制问题进行了研究和探讨。
一、四旋翼直升机的独特结构相较于传统的直升机，四旋翼直升机的结构独特。
四旋翼直升机由四个可以相互独立转动的螺旋桨、电机和机身组成，没有翼面、旋翼等附加的组件。
四旋翼直升机能够通过调整各旋翼的转速来实现不同的空间动作，例如悬停、向前、向后、向左、向右等。
二、四旋翼直升机的控制问题由于四旋翼直升机具有强大的空中维持性能，在飞行过程中受到的干扰较小，所以被广泛应用于各种航空领域。
但是，四旋翼直升机的控制问题依然存在，主要是以下几方面：1. 飞行稳定性问题：四旋翼直升机的结构简单，但是它也因此缺乏扭矩平衡装置，容易出现悬停不稳定的现象。
此外，四旋翼直升机的风叶直径比较小，因此受到外部风的影响也很大。
2. 导航精度问题：四旋翼直升机的位置信息需要通过GPS、陀螺仪等设备来获取，但这些设备对于环境的变化比较敏感，导致位置偏差较大。
3. 响应延迟问题：四旋翼直升机所采用的遥控器并不总是能够及时响应飞行员的指令，导致控制时效性与精度不足。
三、控制问题的解决方法为了解决四旋翼直升机的控制问题，目前有如下几种方法：1. 风力补偿技术：通过在控制算法中加入人工智能等技术，实现对风力的自动补偿。
2. 延迟补偿技术：通过在遥控器中加入延迟补偿装置，提高控制时效性与精度。
3. 改进传感器技术：通过探究更加精准的传感器技术，提高位置信息的准确性。
四、结论四旋翼直升机控制问题一直是研究的热点，而风力补偿技术、延迟补偿技术和改进传感器技术是目前解决问题的主要手段。
这些技术的研发使得四旋翼直升机在未来的发展中将有更加广泛的应用场景综上所述，四旋翼直升机在飞行稳定性、导航精度和响应延迟等方面存在控制问题。
基于IBS和LADRC的四旋翼飞行器轨迹跟踪控制
基于IBS和LADRC的四旋翼飞行器轨迹跟踪控制翁发禄;郭毅;李胜飞【摘要】首先对四旋翼进行了力学分析并建立了六自由度的数学模型,然后针对四旋翼数学模型的欠驱动及强耦合特性,提出了基于积分反步(IBS)和线性自抗扰(LADRC)相结合的控制方法对四旋翼进行轨迹跟踪控制.首先将整个控制分为外环位置控制和内环姿态角控制,针对外环位置控制的欠驱动特性,采用适用于欠驱动系统并且结构清晰的IBS控制方法,针对存在严重耦合的内环姿态角控制,则采用了具有抗耦合作用的LADRC控制策略,仿真实验证明了该方法能实现四旋翼的轨迹跟踪.【期刊名称】《电光与控制》【年(卷),期】2019(026)006【总页数】6页(P65-69,74)【关键词】四旋翼飞行器;轨迹跟踪;IBS;LADRC;欠驱动;抗耦合【作者】翁发禄;郭毅;李胜飞【作者单位】江西理工大学,江西赣州 341000;江西理工大学,江西赣州 341000;中国北方车辆研究所,北京 100072【正文语种】中文【中图分类】TP2020 引言近几十年来，四旋翼飞行器在许多应用领域有广阔的应用前景,例如地形探测[1]、资源搜索[2]、危险救援、军事侦察、农业调查、灾害评估和商业摄影等。
相对于传统直升飞机来说，四旋翼飞行器不需要机械联动装置来改变螺旋桨转动时的倾斜角度，从而简化了其设计和维护工作，并且4个电机的配置方式能够让每个螺旋桨直径小于传统飞机螺旋桨的直径，从而减少了飞行过程中产生的动能。
虽然四旋翼优于传统直升机，但因其系统复杂，往往也难以控制。
21世纪以来，随着国家经济和科技的发展，人们对生活质量的要求日益增加，对四旋翼的要求也更高。
因此，飞行的控制算法及其优化方法已成为飞控领域研究的热点。
在早期四旋翼飞行控制研究阶段，主要采用线性二次型调节器(LQR)[3-6]，但是，众所周知，LQR控制方法的跟踪精度和鲁棒性较差，在许多场合达不到控制要求。
随着控制理论与飞行技术的发展，许多新的控制算法及技术被不断提出和完善。
基于视觉引导的室内四旋翼飞行器控制系统研究与设计
进 行 分 析 和 处 理 ，利 用 多个 专 门 的 高 速 数 据 处理 模 块 接 受 实 时 位 置 数 据 、姿 态 数 据 ；通 过
ＰＷ Ｍ输 出 ，实现 四旋 翼 飞 行 器视 觉 循 迹 的 目的 。
关 键 词 ：飞行 控 制 系统 ；四 旋 翼 飞行 器 ；图像 信 息 ；自主 循 迹 飞行 ；定 高 ；串级 ＰＩ Ｄ控 制 器
收 稿 日期 ：２０１７—０８—０ｌ：修 订 日期 ：２０１７—１２—０３ 基 金 项 目 ：国 家 自然 科 学 基 金 资 助 项 目（６１４０３１３６）；湖 南 省 自然 科 学 基 金 资 助项 目（１４ＪＪ５００８）；湖 南 文 理 学 院 ２０１５年 大 学
生创 新 创 业 研 究 项 目 作 者 简 介 ：时 梦 瑶 （１９９６一 ），女 ，本 科 ，研 究 方 向 为 嵌 入 式 系 统 设 计 与 开 发 ；李 建 奇 （１９８０一 ），男 ，博 士 ，教 授 ，研 究 方 向 为 计
四旋 翼 飞行 器 设 计 是 一 项 包 含 多 种 交 叉 学 科 和商 用领 域 的应 用 范 围越 来 越 广 ，对 四旋 翼 飞行 器 的尖 端技 术 领 域 。随 着 四旋 翼 飞行 器 在 军 用 、民用 在 导航 系统 和 视觉 定 位 方 面也 提 出 了新 的 要求 ，四
ｌｉｎｅ ｉｓ ｊｕｄｇｅｄ ｂｙ ｔｈｅ ｐｒｅｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ｏｆ ｔｈｅ ｉｍａｇｅ ａｎｄ ｔｈｅ ａｌｇｏｒ ｉｔｈｍ ｏｆ ｔｈｅ ｔｒａｃｋ ｅｘБайду номын сангаасｒａｃｔｉｏｎ．Ｔ ｈ ｅ ｓｐａｃｅ ｌｏｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ
ｆ ｌｉｇｈｔ ｐａｔｈ ｉｓ ｃｏｍｐｌｅｔｅｄ ｂｙ ｔｈｅ ｔｒａｎ ｓｆｏｒｍ ａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｓｐａｃｅ ｐｏｓｉｔｉｏｎ ｔｏ ｔｈｅ ｐｌａｎｅ ｐｏｓｉｔｉｏｎ．Ｔｈｅ ｄａｔａ ａｒｅ ａｎａ ｌｙｚｅｄ ａｎｄ ｐｒｏｃｅｓｓｅｄ，ａｎｄ ｔｈｅ ｒｅａｌ—ｔｉｍｅ ｌｏｃａｔｉｏｎ ｄａｔａ ａｎｄ ａｔｔｉｔｕｄｅ ｄａｔａ ａｌ＇ｅ ａｃｃｅｐｔｅｄ ｂｙ ａ ｎｕｍｂｅｒ ｏｆ ｓｐｅｃｉａｌ ｈｉｇｈ—ｓｐｅｅｄ ｄａｔａ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ｍｏｄｕｌｅｓ．Ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｉｇｎ ａｌｓ ｏｕｔｐｕｔ ｂｙ ＰＷＭ ａｃｈｉｅｖｅ ｖｉｓｕａｌ ｔｒａｃｋｉｎｇ ｆｏｒ ａ ｆｏｕｒ—ｒｏｔｏｒ ａｉｒｃｒａ ｆｔ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｆ ｌｉｇｈｔ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ ；ｆｏｕｒ－ｒｏｔｏｒ ｒｏｔｏｒｃｒａｆｔ；ｉｍａｇｅ ｉｎ ｆｏｒｍａｔｉｏｎ；ａｕｔｏｎｏｍｏｕｓ ｔｒａｃｋｉｎｇ ｆ ｌｉｇｈｔ；ｆ ｉｘｅｄ ａｌｔｉｔｕｄｅ；ｃａｓ— Ｃａｄｅ ＰＩＤ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ
基于视觉的微小型四旋翼飞行机器人位姿估计与导航研究共3篇
基于视觉的微小型四旋翼飞行机器人位姿估计与导航研究共3篇基于视觉的微小型四旋翼飞行机器人位姿估计与导航研究1近年来，随着无人机技术的发展，四旋翼飞行机器人已经成为了无人机领域不可或缺的重要组成部分。
而要想让四旋翼飞行机器人发挥更好的作用，就需要对其位姿估计与导航进行研究。
基于视觉的微小型四旋翼飞行机器人位姿估计与导航研究，是一项目前正在快速发展的研究领域。
这种研究方法利用计算机视觉技术，使用摄像头采集四旋翼飞行机器人周围的环境信息，并对其进行处理分析，以实现对机器人位置和方向的估计。
而且相较于其他传感器，视觉传感器具有无需额外硬件、成本低廉、信息量丰富等优势，因而备受关注。
目前，视觉位姿估计的方法主要有两种：基于单目3D重建和基于双目视觉方法。
前者是通过将单个摄像头从不同角度获取的图像进行三维建模，从而推算出机器人的位姿；后者则是将两个摄像头的图像信息结合起来，以实现更加准确的位姿估计。
在基于单目3D重建的位姿估计中，研究人员已经成功实现了对四旋翼飞行机器人的位置和方向估计。
例如，将机器人周围的环境模型化，并使用模型匹配算法进行位姿估计的方法已被广泛运用。
同时，也有学者尝试运用追踪与定位技术，对飞机实时进行位姿估计。
在基于双目视觉的位姿估计中，研究人员主要采用了立体匹配算法，将两个摄像头采集的图像信息进行匹配，得出机器人位姿。
由于两个摄像头的相对位置固定，因此通过双目视觉可以更快地获得更加准确的位姿信息。
除了位姿估计外，基于视觉的微小型四旋翼飞行机器人导航研究也十分重要。
导航系统是无人机实现自主控制的关键组成部分，有效的导航系统可以保证无人机的稳定飞行和精确定位。
而基于视觉的导航系统具有高度的灵活性和可靠性，可以通过自主学习和深度神经网络的方法，实现对不同环境的适应性调整。
总的来说，基于视觉的微小型四旋翼飞行机器人位姿估计与导航研究在未来将会变得越来越重要。
利用视觉传感器的信息，可以大大提高无人机系统的导航和控制能力，促进无人机系统的发展综上所述，基于视觉的微小型四旋翼飞行机器人位姿估计与导航研究是当前研究的热点之一。
四旋翼项目调研报告
1四旋翼飞行器基本原理四旋翼飞行器具有呈十字交叉的四个螺旋桨，它通过改变四个螺旋桨的升力来获取不同的运动，主要方法是改变螺旋桨的转速。
四旋翼有且仅有四个输入力，却需要产生6个自由度方向的运动，属于典型的欠驱动系统。
而且四旋翼飞行器具有高度的耦合动特性，一个螺旋桨速度发生变化，将会引起整个系统的不稳定。
一般来说，四旋翼的运动可以分为垂直飞行，水平飞行和水平转动，通过调节四个螺旋桨的转速可以获得各个运动姿态。
具体运动控制如下：1)垂直飞行同时调整四个旋翼的转速，使之获取相同的向上升力，则飞行器可以垂直上升；若同时减小升力，则飞行器可以垂直下降。
2)水平飞行改变对角上一对旋翼的转速，使一个旋翼升力增大而相对的旋翼升力减小，同时保持四个旋翼旋转力矩不变，则可以使飞行器倾斜，从而获取横向旋翼作用力实现水平飞行。
改变不同的一对旋翼，可以实现不同方向的水平飞行。
3)水平转动同时增大对角上的一对旋翼速度，使飞行器四个旋转力矩不平衡，就可以使飞行器实现水平的转动。
2传感器的选用2.1传感器概述四旋翼飞行器需要使用传感器来确定空中姿态，常用的传感器为惯性传感器。
惯性传感器通过测量飞行器的加速度和角度获取飞行器瞬时速度、瞬时姿态和瞬时位置。
但使用惯性传感器的一个需要解决的问题就是长时间的精度问题，随着时间增长，因为存在漂移，误差会累积从而使飞行器状态变化失去控制。
四旋翼常用的传感器有加速度计和陀螺仪。
加速度计是一个一自由度的测量系统加速度的传感器。
加速度计由检测质量（也称敏感质量）、支承、电位器、弹簧、阻尼器和壳体组成。
检测质量受支承的约束只能沿一条轴线移动，这个轴常称为输入轴或敏感轴。
当仪表壳体随着运载体沿敏感轴方向作加速运动时，根据牛顿定律，具有一定惯性的检测质量力图保持其原来的运动状态不变。
陀螺仪利用一个高速旋转的物体所指的方向在不受外力的影响下不改变的原理，来获取系统的转动角度。
陀螺具有稳定性和进动性，转动时如果受到外力的作用，陀螺会在自转的同时沿另一个固定轴不停旋转。
四轴飞行器设计论文
冯如杯论文《四旋翼飞行器的设计与控制》院（系）名称机械工程及自动化学院作者姓名薛骋豪学号35071422指导教师梁建宏2008年3月22日四旋翼飞行器的设计与控制薛骋豪摘要四旋翼直升机，其主旋翼分成前后与左右两组，旋转时方向相反，因此与一般直升机最主要的不同点为四旋翼直升机不需要用尾旋翼来平衡机体。
因为四旋翼直升机为不稳定系统，因此需利用旋转专用的感测器：陀螺仪来感知机身的平衡程度并将讯号传送至微控制器，再通过微控制器内部程序的运算产生控制信号来控制机体上四个旋翼的转速，以维持整个机身的平衡促使四旋翼直升机能顺利飞行。
关键词：四旋翼、VTOL（垂直起降）、矩阵控制、AbstractQuadrotor, its main rotor divides into with two about groups from beginning to end, in opposite direction while rotating, so Quadrotor and does not need to fasten the wing and having the balance organism for four with the end with the main difference of general helicopter. Whether four fasten wing helicopter stable system, need to utilize and rotate the special-purpose detecting device. The gyroscope comes to perceive balancing the degree and conveying the signal to the little controller of the fuselage, and then produce the control signal to control four rotational speed of fastenning the wings on the organism through the operation of the procedure within the little controller, impel four to fly smoothly while Quadrotor for the balance of maintaining the whole fuselage.Key words: Quadrotor、VTOL(Vertical Take-Off and Landing)、matrix control目录1、绪论 (3)2、正文 (4)2.1、四旋翼直升机的动力学原理 (4)2.2、四旋翼直升机的控制系统 (6)3、结论 (9)4、致谢 (10)5、参考文献 (10)1、绪论关于四旋翼直升机系统的研究动机与其它飞行原理相比较，VTOL（垂直起降）系统有特性能够完成对其他飞行器来说非常困难的或者不可能执行的任务。
一种基于油电混合动力的可折叠变螺距四旋翼飞行器及使用方法[发明专利]
![一种基于油电混合动力的可折叠变螺距四旋翼飞行器及使用方法[发明专利]](https://img.taocdn.com/s3/m/31513ac5e2bd960591c677a0.png)
专利名称：一种基于油电混合动力的可折叠变螺距四旋翼飞行器及使用方法
专利类型：发明专利
发明人：杜轩,李宝万,杜瀚霖
申请号：CN201910803010.1
申请日：20190828
公开号：CN110481767A
公开日：
20191122
专利内容由知识产权出版社提供
摘要：本发明提供了一种基于油电混合动力的可折叠变螺距四旋翼飞行器及使用方法，它包括机身，所述机身的内部安装有传动机构，所述传动机构上安装有变螺距机构，所述传动机构与安装在机身上的动力装置配合相连，并提供飞行的动力。
通过提高续航时间以提高无人机的作业时间提高作业效率；稳定性增强有助于提高飞行器的抗风性，使得飞行更加安全降低因环境因素造成的坠机事故；响应速度提高使得无人机更容易操控，更易在复杂环境下运行。
申请人：三峡大学
地址：443002 湖北省宜昌市西陵区大学路8号
国籍：CN
代理机构：宜昌市三峡专利事务所
代理人：李登桥
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项目情况简介
项目名称可变螺距四旋翼
项目类别文科类（）理科类（√）
关键词
（最多五个）
可变螺距四旋翼续航
项目研究
内容摘要
（200字以内）
将传统四旋翼的固定螺距桨改为可变螺距螺旋桨。
变螺距四旋翼在桨速不变的情况下，通过舵机牵引连杆改变翼面攻角控制旋翼升力大小，实现了
四轴螺旋桨的共速飞行，提高了变螺距四旋翼无人飞行器的续航能力和动态
适应性。
变距四旋翼具有更好的机动性、飞行效率，能完成定距四旋翼不能
完成的飞行动作，是多轴飞行器发展的趋势。
项目立项依据（研究意义、国内外研究现状及分析，附主要参考文献目录。
基础研究需结合科学研究发展趋势来论述科学意义；应用研究需结合国民经济和社会发展中迫切需要解决的关键科技问题来论述其应用前景。
300字以内）
可变螺距螺旋桨可以通过改变迎角来获得较优的升阻比，可以像直升机一样获得超强的机动能力，将传统的四个电机缩减至一个电机，减少了四旋翼的整体重量，提高了四旋翼的续航能力，变螺距四旋翼在桨速不变的情况下，通过舵机牵引连杆改变翼面攻角控制旋翼升力大小，实现了四轴螺旋桨的共速飞行，提高了变螺距四旋翼无人飞行器的动态适应性，能完成传统四旋翼不能完成的3D特技飞行动作，是多轴飞行器发展的趋势。
航模无人机逐渐成为了越来越受人们欢迎的新事物。
目前国内已经有几所高校在四旋翼直无人机方面进行了研究。
其中南航、北航以及清华大学研究走在国内前沿。
国外已经有许多学者发表了很多关于四旋翼无人机控制技术的相关的文章，主要包括数学建模方面以及控制技术方面。
现在关于旋翼无人机研究的关键技术主要在于以下几个方面：整体设计的最优化、动力与能源的设计、数学模型的建立、控制方法以及定位导航与通信。
传统的四旋翼是通过改变旋翼的转速来控制升力的，这样有两个缺点：1.这样的旋翼只能产生向上的升力，因此只能朝一个方向转。
2.如果四旋翼要达到军用或者商用的目的，需要将它做大，这样由于旋翼的惯性增大，转速随着电压的增大相应就会变慢，这样就无法适应控制的需求了，因此才需要通过改变螺距来适应此需求。
参考文献（禁止出现作者，但必须有文章题目、期刊名、卷期页码）
1、《微小型旋翼飞行器的研究现状与关键技术》[M],电光控制[J]，2007年12月
2、《直升机空气动力学》[M],南京航空航天大学[J]，[1]：976
3、《新型飞行器的设计与应用．航空制造技术》[M],2006第五期[J],中山大学学报．91
4、《交流异步电机的保护》[M],重庆：电工技术[J]，2005[12]：75
5、《电机单相接地故障的分析、预防与保护》[M]．重庆：电工技术[J]，2005[10]：50
项目情况简介研究内容、研究目标以及拟解决的关键问题（此部分为重点阐述内容，700字以内）
研究内容：
首先对可变螺距四旋翼进行数学建模。
介绍可变螺距四旋翼的机械结构和飞行原理；其次在分析了空气动力学的基础上，建立其动力学模型；最后，对整个飞行系统建立数学模型。
建立一个良好的数学模型是对可变螺距四旋翼研究、设计及仿真的基础，因此，在制作可变螺距四旋翼之前建立一个合理的、准确的数学模型具有很重要的意义。
设计制作含两个加速度计和陀螺仪的飞控板。
一般定距四轴机动性较差，一个加速度计和陀螺仪足以满足动态要求。
但变距四轴机动性好，进行特技飞行时加速度和角速度容易超量程，因此需要两组惯性传感器覆盖更大的动态范围设计、制板、调试。
改进控制算法，使之支持变距、调速混控。
将传统的四旋翼飞行器的四个电机减至为一个电机，4片桨都是由一个3000kv的无刷电机，通过一套非常巧妙的皮带传输系统驱动。
优化飞行姿态控制系统。
然后应用在可变螺距四旋翼飞行姿态控制系统中，做到能够使整个系统性能大大提高，完全满足整个设计的需要。
在飞行器的控制上要实现通过无线Wi-Fi对飞行器的控制，并且实现飞行数据实时回传，实现对飞行数据精确把握与观测，便于后期分析。
对整个飞行控制系统进行调试、仿真。
整体的设计工作完成之后，组装可变螺距四旋翼，并进行整体调试。
研究目标：
通过改变螺距来实现可变螺距四旋翼。
拟解决的关键问题：
1、解决通过皮带控制四个变距桨的效率问题；
2、解决飞行中2.4G遥控与图传之间的干扰；
3、实现旋翼机的稳定自动起飞降落；
4、提高变距四旋翼的续航能力和动态适应性；
5、设计一套优良的飞行姿态控制系统。
项目情况简介拟采取的研究方案及可行性分析（包括有关方法、技术路线、实验手段、关键技术等说明，500字以内）
1、通过进行反复的分析对比，使飞行器的结构达到最优化，进行实际测验，校正分析结果。
2、利用无线Wi-Fi通信技术实现对多旋翼的控制。
3、运用双余度控制系统，使飞行器拥有两套飞行控制系统，通过飞控自动切换模块，能够实现飞行控制器的无缝切换，保证飞行状态的可控性。
本项目的特色与创新之处（200字以内）
传统四轴飞行器一般通过改变桨速实现升力变化，高速旋转时控制过程具有迟滞性而变螺距四旋翼在桨速不变的情况下通过舵机牵引连杆改变翼面攻角控制旋翼升力大小实现了四轴螺旋桨的共速飞行，提高了变螺距四旋翼无人飞行器的续航能力和动态适应性。
变距以后四旋翼有了更强的机动能力，变距后能够完成普通四旋翼飞行器不能完成的飞行动作，使油动多轴成为可能。
经费预算及说明
科目申请经费备注（计算依据与说明）１、科研业务费100
（1）测试/计算/分析费100仪器的借用购买费用
（2）调研/文献/信息传播费
（3）其他
2、实验材料费1200
（1）原材料/试剂/药品购置费1100
飞行器相关的电机电调、碳管以及
相关元器件的购买
（2）其他100Pcb板的定制与制作
3、仪器设备费200
（1）购置200切割焊接工具的购置
（2）试制
合计1500
研究计划及预期研究结果
2013年12月-2015年2月，学习相关的理论知识，为实物的制作打下理论基础。
2015年2月-2015年4月，绘制相关的原理图，并制作pcb板。
2015年5月-2015年6月，购买元器件，为实物的制作做前期的准备。
2015年6月-2015年7月，实物制作。
2015年8月-2015年10月，功能测试，并改进方案。
2015年11月，撰写实验报告。