基于气压高度计的多旋翼飞行器高度控制_王伟
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图 2 六旋翼飞行器系统构成图 F ig1 2 Conf igurat ion of S ix-rotor a ircraft system
1) 气压高度计与加速度计 因 GPS在垂直高 度的检测上精度较低, 因此本研究使用高度气压计 来检测飞行器的飞行高度, 同时使用加速度计来推 测速度, 来实现高度控制。
收稿日期: 2011-03-09; 收修定稿日期: 2011-04-10
基金项目: 南京信息工程大学科研基金资助 ( 20100366) 作者简介: 王 伟 ( 1972-) , 男, 黑龙江双鸭山人, 教授, 博士, 主要从事自动化控制, 机器人工学, 微小型多旋翼无人机设计及 自主
飞行控制等方面的教学与科研工作; 野波健藏 ( 1949-) , 男, 教授。
第 4期
王 伟等: 基于气压高度计的多旋翼飞行器高度控制
# 615#
通的直升机式无人机 ), 成为旋翼无人机研究的主 流 [ 1] 。
该类飞行器在飞行性能上与单旋翼机相似, 但 改善了单旋 翼机的易发生故 障、抗风 能力弱的 缺 点。由于多旋翼机机械构造简单, 可以降低制造与 日常维护成本, 并能提高旋翼式飞行器的飞行性能 与安全性, 使得超小型旋翼无人机的实用化成为可 能。
在 8 m / s的强风中稳定飞行。飞行时间由载重量与 搭载的电池容量决定, 最高可达 30 m in( 空载状态, 搭载 3块 11. 1 V、2 100 mAh的锂聚合物电池 ) 本研 究团队自行制作的 6旋翼飞行器, 如图 1所示。
图 1 六旋翼飞行器 Fig11 S ix-rotor a ircraft
# 616#
控制工程
第 18卷
测电压进行 增幅, 以提高 检测精 度。然 后再通 过 AD 转换来计算出飞行高度, 最后得到的高度值的 分辨率大约在 012 m。同时为了检测出高度方向的 加速度状态量, 还搭载了 MXR9500三轴加速度传 感器, 在观 测飞行器的加 速度进行状 态反馈的 同 时, 与气压计的高度检测结果相结合推算飞行器的 升降速度。
飞行器搭载了 1个微型 IMU 传感器 M ti来测量 姿态与航向, 用来实现飞行器的姿态与航向控制。 使用轻量的 u-b loxGPS接收器模块来检测飞行速度 与位置, 来完成速度控制, 定点悬浮及路点飞行控 制。在高度控制上使用了气压高度计与加速度计。 同时使用 xbee无线通信模块来与飞控地面站传 送 信息与指令, 还搭载了无线遥控模块来接收遥控器 的控制数据。主控板上装载了 2个 A rm 7微处理器 来进行传感器数 据处理、控制 器运算及 通信处 理 等。整个系统的构成图, 如图 2所示。
随着高度的变化, 气压也会相应的产生变化, 气压高度计就是根据这个原理来测量高度值。但因 为气压值容易受到天气变化的影响, 所以气压高度 计不适用于天气状况不是很稳定的环境。本研究采 用 M PX5100AP 气压计, 测量范围为 0 m ( 101 325 Pa) -80 000 m ( 1. 1 P a)。因为飞行器实际需要飞行 高度在 100 m 之内, 所以研究中设计增幅回路对检
2 0 11年 7月 第 18卷第 4期
控 制 工程 Contro l Eng ineering o f China
Ju l. 2 0 1 1 Vo.l 18, No. 4
文章编号: 1671-7848( 2011) 04-0614-04
基于气压高度计的多旋翼飞行器高度控制
王 伟 1, 周 勇 1, 王 峰1, 程 勇1, 宋昱泽 2, 野波健藏 2
无人机按其获得动力的机翼与wenku.baidu.com体的相对运动 形式区分一般可以分为固定翼 ( fixed-w ing) 无人 机 和旋转翼 ( rotary-w ing ) 无人机两类。固定翼无人机 由于机翼位置、后掠角等参数固定不变, 具有稳定 性高、控制简单、耗能低、飞行速度高、巡航时间
长、飞行距离远的优点。因此目前无人机应用大多 采用此种类型。缺点是起飞与降落需要场地, 无空 中定点悬浮机能, 飞行中需保持一定的飞行速度, 不利于空中摄影。而旋转翼无人机可垂直起落, 对 场地无要求; 可空中悬浮, 能拍摄高清晰相片, 准 确的投放物品。不足之处为耗能高, 飞行时间与距 离短, 且自身安定性低, 难于实现自主飞行。
2) 六旋翼飞行器控制原理 多旋翼飞行器一 般都是通过调节电机的转速来实现对飞行器 6个空 间自由度的控制。飞行器的 6个飞行状态为
¹ 垂直运动 ( Z ); º 俯仰运动 (P itch ); » 滚转 运动 (R oll ); ¼偏航运动 ( Yaw ); ½ 前后运动 (X ); ¾侧向运动 ( Y )。而前后运动与侧向运动是由飞行 器的俯仰运动与滚转运动连带产生, 所以多旋翼飞 行器通过 4路信号实现对 6个自由度的控制。六旋 翼飞行器的结构形式, 如图 3所示。
面可以为灾后救援提供有力的帮助, 同时还可以避免发生灾后次生灾害。以自行开发的 6旋翼
飞行器为控制对象, 以实现飞行器的高度方向自主飞行为目的, 首先介绍了飞行器的构造、飞
行原理及嵌入式控制系统, 然后针对 微小型 多旋翼 飞行器 的高 度控制, 提出 了使用 高度 气压
计与加速度相结合的测量手法, 代 替 GP S传感 器来测量 飞行器 的飞行 高度。并对 飞行器 的高
本研究团队从 2007 年开始着手开发制 作微小 型多旋翼无人机 [ 2-5 ] 。在 2008年年初实现了微小型 4旋翼无人机的室外自主飞行, 并参加了在印度举 办的世界微小型无人机大赛 MAV08。从 2009年开 始, 科研团队开始根据实际的产业需求, 开发载重 能力超过 2 KG 的小型 6旋翼无人机, 计划使用于 山区或狭窄地区的小面积农田农药喷洒。近年来, 在农业领域, 为了环境保 护以及防止 危害人类 健 康, 在日本等一些先进国家开始提议使用低毒性农 药, 增加喷洒次数的方案。但现在农业上存在着劳 动力不足的现状, 这种提案的实施无疑增加了劳动 者们的负担。于是, 比人工喷洒农药效率高 20 倍 的无人机的受到了青睐。同时该无人机还可搭载高 清晰相机及摄像机, 可用于紧急事件的现场直播, 罪犯追踪等民用警用领域。
本文首先简单介绍 6旋翼飞行器的硬件构成与 飞行原理, 然后针对飞行器的高度控制方法进行研 究, 最后基于 6旋翼无人机进行了飞行试验, 对高 度控制方法的可行性和控制能力进行验证和测试。
2 控制对象
机体的主体部分由碳纤维与铝合金制作。飞行 动力来自于 6个高性能直流无刷电机。飞行器上搭 载了微型 IMU 传感器、微处理器、气压高度计 及 通讯器件等来实现遥控飞行与自主飞行。飞行器自 重约 117 kg, 最大飞行重量为 317 kg, 载重量为 2 kg。自主飞行状态下最高飞行速度可达 10 m / s, 可
早在上个世纪中叶, 多旋翼飞行器就已经受到 了海外一些研究机构的瞩目。多旋翼飞行器虽然机 械构造与飞行原理都很简单, 但对传感器类与控制 技术的要求 非常高, 所以直 到本 世纪初 期, 随 着 M EMS传感器技术及嵌入式控制系统科技的高速发 展, 多旋翼无人机的研究才终于取得突破。特别是 欧美发达国家, 在小型、超小型旋翼无人机研究领 域中, 多旋翼无人机已逐步取代单旋翼无人机 ( 普
旋转翼无人机在执行任务时候, 要求飞行器具 有高度的稳定性与自主性。至今为止, 本研究团队 实现了多旋翼飞行器的姿态控制及基于 GPS的 速 度控制与位置控制。但因为飞行器自身的载重能力 有限, 无法搭载 高性能的 GPS接 收器, 只能使 用 精度与数据更新频率都比较低的轻量接收器。特别 是在垂直高度方向上, 测得的数据信赖度低, 无法 满足飞行器的低空稳定飞行。因此, 本研究以实现 微小型多旋翼飞行器的高稳定性高度控制为目的, 使用实时性与精度都高于低精度 GPS 的气压高 度 计, 同时结合从加速度计得到的加速度信号, 运用 卡尔曼滤波器来推算垂直升降速度, 采用现代控制 的手法来实现高精度的飞行器高度控制。
Abstrac t: In case of na tura l disaster like earthquake, a M AV w ill be very effective for survey ing the site and env ironm ent in dang erous area or narrow space where hum an cannot access sa fely. A six- ro to r MAV is designed and taken as the p la tform the configura tion, the flight pr inc iples and the em bedded contro l system o f the aircraft a re introduced. For the altitude contro l of rotary-w ing M AV. T he pressure sensor and acceleration sensor are used to rep lace the GPS rece iver to observe flight a ltitude. T he m athem atical mode l o fM AV is g iven, and the optim a l contro ller is designed. T o the unobservab le sta te value, the kalm an filte r is designed. T he experim enta l resu lt show s the pe rfo rm ance of the designed con tro ller. K ey word s: mu lt-i ro tor type a ircra ft; a ttitude contro;l optim a l contro;l K a lm an filter.
WAN G W ei1, ZH OU Yong1, WAN G F eng1, CH EN G Yong1, SON G Yu-ze2, N ONAM I K enzo2
( 1. Jiangsu Technology and Engin eering C enter ofM eteorological Sen sor N etwork, N an jing U n iversity of Inform at ion Science & Technology, N an jing 210044, Ch ina; 2. G raduate Schoo l of Engineering, C h iba U n iversity, Y ayo-i Cho Inage-ku Ch iba 263-8522, Japan )
( 1. 南京信息工程大学 江苏省气象传感网技术工程中心, 江苏 南京 210044; 2. 日本千叶大学 工学研究科, 日本 千叶 263-8522 )
摘
要: 洪水、台风、地震等自然灾害发生时, 微小型无人机可以涉足到危险区域及时精
确的获取灾区的受灾信息, 在必要的 时候甚 至能够 进入到 狭窄 的空间 内部 来收 集情报。 一方
1引 言
无人机 ( UAV 或 drone) 是一种由无线电遥控设 备或自身程序控制装置操纵的无人驾驶飞行器。具 有成本低、效费比高、无人员伤亡风险及可以涉足 到有人机无 法到 达的 区域 ( 核, 化学, 细菌 感染 区 域 ) 等优点。在用途上一般分为军用: 侦察机, 武 器平台; 民用: 如气象勘测、核辐射探测、航空摄 影、航空探矿、灾情监视、交通巡逻、治安监控等 两种主要种类。
度自由度进行数学建模, 运用最优控制的理论来设计控制器。针对无法观测的状态量, 设计了
卡尔曼滤波器来进行推测。通过实验验证了设计的控制器的稳定性与追踪性。
关 键 词: 多旋翼飞行器; 姿态角控制; 最优控制; 卡尔曼滤波器
中图分类号: TP 273
文献标识码: A
A ltitude Control ofM ult-i Rotor Type A ircraft Based on Pressure Sensor
1) 气压高度计与加速度计 因 GPS在垂直高 度的检测上精度较低, 因此本研究使用高度气压计 来检测飞行器的飞行高度, 同时使用加速度计来推 测速度, 来实现高度控制。
收稿日期: 2011-03-09; 收修定稿日期: 2011-04-10
基金项目: 南京信息工程大学科研基金资助 ( 20100366) 作者简介: 王 伟 ( 1972-) , 男, 黑龙江双鸭山人, 教授, 博士, 主要从事自动化控制, 机器人工学, 微小型多旋翼无人机设计及 自主
飞行控制等方面的教学与科研工作; 野波健藏 ( 1949-) , 男, 教授。
第 4期
王 伟等: 基于气压高度计的多旋翼飞行器高度控制
# 615#
通的直升机式无人机 ), 成为旋翼无人机研究的主 流 [ 1] 。
该类飞行器在飞行性能上与单旋翼机相似, 但 改善了单旋 翼机的易发生故 障、抗风 能力弱的 缺 点。由于多旋翼机机械构造简单, 可以降低制造与 日常维护成本, 并能提高旋翼式飞行器的飞行性能 与安全性, 使得超小型旋翼无人机的实用化成为可 能。
在 8 m / s的强风中稳定飞行。飞行时间由载重量与 搭载的电池容量决定, 最高可达 30 m in( 空载状态, 搭载 3块 11. 1 V、2 100 mAh的锂聚合物电池 ) 本研 究团队自行制作的 6旋翼飞行器, 如图 1所示。
图 1 六旋翼飞行器 Fig11 S ix-rotor a ircraft
# 616#
控制工程
第 18卷
测电压进行 增幅, 以提高 检测精 度。然 后再通 过 AD 转换来计算出飞行高度, 最后得到的高度值的 分辨率大约在 012 m。同时为了检测出高度方向的 加速度状态量, 还搭载了 MXR9500三轴加速度传 感器, 在观 测飞行器的加 速度进行状 态反馈的 同 时, 与气压计的高度检测结果相结合推算飞行器的 升降速度。
飞行器搭载了 1个微型 IMU 传感器 M ti来测量 姿态与航向, 用来实现飞行器的姿态与航向控制。 使用轻量的 u-b loxGPS接收器模块来检测飞行速度 与位置, 来完成速度控制, 定点悬浮及路点飞行控 制。在高度控制上使用了气压高度计与加速度计。 同时使用 xbee无线通信模块来与飞控地面站传 送 信息与指令, 还搭载了无线遥控模块来接收遥控器 的控制数据。主控板上装载了 2个 A rm 7微处理器 来进行传感器数 据处理、控制 器运算及 通信处 理 等。整个系统的构成图, 如图 2所示。
随着高度的变化, 气压也会相应的产生变化, 气压高度计就是根据这个原理来测量高度值。但因 为气压值容易受到天气变化的影响, 所以气压高度 计不适用于天气状况不是很稳定的环境。本研究采 用 M PX5100AP 气压计, 测量范围为 0 m ( 101 325 Pa) -80 000 m ( 1. 1 P a)。因为飞行器实际需要飞行 高度在 100 m 之内, 所以研究中设计增幅回路对检
2 0 11年 7月 第 18卷第 4期
控 制 工程 Contro l Eng ineering o f China
Ju l. 2 0 1 1 Vo.l 18, No. 4
文章编号: 1671-7848( 2011) 04-0614-04
基于气压高度计的多旋翼飞行器高度控制
王 伟 1, 周 勇 1, 王 峰1, 程 勇1, 宋昱泽 2, 野波健藏 2
无人机按其获得动力的机翼与wenku.baidu.com体的相对运动 形式区分一般可以分为固定翼 ( fixed-w ing) 无人 机 和旋转翼 ( rotary-w ing ) 无人机两类。固定翼无人机 由于机翼位置、后掠角等参数固定不变, 具有稳定 性高、控制简单、耗能低、飞行速度高、巡航时间
长、飞行距离远的优点。因此目前无人机应用大多 采用此种类型。缺点是起飞与降落需要场地, 无空 中定点悬浮机能, 飞行中需保持一定的飞行速度, 不利于空中摄影。而旋转翼无人机可垂直起落, 对 场地无要求; 可空中悬浮, 能拍摄高清晰相片, 准 确的投放物品。不足之处为耗能高, 飞行时间与距 离短, 且自身安定性低, 难于实现自主飞行。
2) 六旋翼飞行器控制原理 多旋翼飞行器一 般都是通过调节电机的转速来实现对飞行器 6个空 间自由度的控制。飞行器的 6个飞行状态为
¹ 垂直运动 ( Z ); º 俯仰运动 (P itch ); » 滚转 运动 (R oll ); ¼偏航运动 ( Yaw ); ½ 前后运动 (X ); ¾侧向运动 ( Y )。而前后运动与侧向运动是由飞行 器的俯仰运动与滚转运动连带产生, 所以多旋翼飞 行器通过 4路信号实现对 6个自由度的控制。六旋 翼飞行器的结构形式, 如图 3所示。
面可以为灾后救援提供有力的帮助, 同时还可以避免发生灾后次生灾害。以自行开发的 6旋翼
飞行器为控制对象, 以实现飞行器的高度方向自主飞行为目的, 首先介绍了飞行器的构造、飞
行原理及嵌入式控制系统, 然后针对 微小型 多旋翼 飞行器 的高 度控制, 提出 了使用 高度 气压
计与加速度相结合的测量手法, 代 替 GP S传感 器来测量 飞行器 的飞行 高度。并对 飞行器 的高
本研究团队从 2007 年开始着手开发制 作微小 型多旋翼无人机 [ 2-5 ] 。在 2008年年初实现了微小型 4旋翼无人机的室外自主飞行, 并参加了在印度举 办的世界微小型无人机大赛 MAV08。从 2009年开 始, 科研团队开始根据实际的产业需求, 开发载重 能力超过 2 KG 的小型 6旋翼无人机, 计划使用于 山区或狭窄地区的小面积农田农药喷洒。近年来, 在农业领域, 为了环境保 护以及防止 危害人类 健 康, 在日本等一些先进国家开始提议使用低毒性农 药, 增加喷洒次数的方案。但现在农业上存在着劳 动力不足的现状, 这种提案的实施无疑增加了劳动 者们的负担。于是, 比人工喷洒农药效率高 20 倍 的无人机的受到了青睐。同时该无人机还可搭载高 清晰相机及摄像机, 可用于紧急事件的现场直播, 罪犯追踪等民用警用领域。
本文首先简单介绍 6旋翼飞行器的硬件构成与 飞行原理, 然后针对飞行器的高度控制方法进行研 究, 最后基于 6旋翼无人机进行了飞行试验, 对高 度控制方法的可行性和控制能力进行验证和测试。
2 控制对象
机体的主体部分由碳纤维与铝合金制作。飞行 动力来自于 6个高性能直流无刷电机。飞行器上搭 载了微型 IMU 传感器、微处理器、气压高度计 及 通讯器件等来实现遥控飞行与自主飞行。飞行器自 重约 117 kg, 最大飞行重量为 317 kg, 载重量为 2 kg。自主飞行状态下最高飞行速度可达 10 m / s, 可
早在上个世纪中叶, 多旋翼飞行器就已经受到 了海外一些研究机构的瞩目。多旋翼飞行器虽然机 械构造与飞行原理都很简单, 但对传感器类与控制 技术的要求 非常高, 所以直 到本 世纪初 期, 随 着 M EMS传感器技术及嵌入式控制系统科技的高速发 展, 多旋翼无人机的研究才终于取得突破。特别是 欧美发达国家, 在小型、超小型旋翼无人机研究领 域中, 多旋翼无人机已逐步取代单旋翼无人机 ( 普
旋转翼无人机在执行任务时候, 要求飞行器具 有高度的稳定性与自主性。至今为止, 本研究团队 实现了多旋翼飞行器的姿态控制及基于 GPS的 速 度控制与位置控制。但因为飞行器自身的载重能力 有限, 无法搭载 高性能的 GPS接 收器, 只能使 用 精度与数据更新频率都比较低的轻量接收器。特别 是在垂直高度方向上, 测得的数据信赖度低, 无法 满足飞行器的低空稳定飞行。因此, 本研究以实现 微小型多旋翼飞行器的高稳定性高度控制为目的, 使用实时性与精度都高于低精度 GPS 的气压高 度 计, 同时结合从加速度计得到的加速度信号, 运用 卡尔曼滤波器来推算垂直升降速度, 采用现代控制 的手法来实现高精度的飞行器高度控制。
Abstrac t: In case of na tura l disaster like earthquake, a M AV w ill be very effective for survey ing the site and env ironm ent in dang erous area or narrow space where hum an cannot access sa fely. A six- ro to r MAV is designed and taken as the p la tform the configura tion, the flight pr inc iples and the em bedded contro l system o f the aircraft a re introduced. For the altitude contro l of rotary-w ing M AV. T he pressure sensor and acceleration sensor are used to rep lace the GPS rece iver to observe flight a ltitude. T he m athem atical mode l o fM AV is g iven, and the optim a l contro ller is designed. T o the unobservab le sta te value, the kalm an filte r is designed. T he experim enta l resu lt show s the pe rfo rm ance of the designed con tro ller. K ey word s: mu lt-i ro tor type a ircra ft; a ttitude contro;l optim a l contro;l K a lm an filter.
WAN G W ei1, ZH OU Yong1, WAN G F eng1, CH EN G Yong1, SON G Yu-ze2, N ONAM I K enzo2
( 1. Jiangsu Technology and Engin eering C enter ofM eteorological Sen sor N etwork, N an jing U n iversity of Inform at ion Science & Technology, N an jing 210044, Ch ina; 2. G raduate Schoo l of Engineering, C h iba U n iversity, Y ayo-i Cho Inage-ku Ch iba 263-8522, Japan )
( 1. 南京信息工程大学 江苏省气象传感网技术工程中心, 江苏 南京 210044; 2. 日本千叶大学 工学研究科, 日本 千叶 263-8522 )
摘
要: 洪水、台风、地震等自然灾害发生时, 微小型无人机可以涉足到危险区域及时精
确的获取灾区的受灾信息, 在必要的 时候甚 至能够 进入到 狭窄 的空间 内部 来收 集情报。 一方
1引 言
无人机 ( UAV 或 drone) 是一种由无线电遥控设 备或自身程序控制装置操纵的无人驾驶飞行器。具 有成本低、效费比高、无人员伤亡风险及可以涉足 到有人机无 法到 达的 区域 ( 核, 化学, 细菌 感染 区 域 ) 等优点。在用途上一般分为军用: 侦察机, 武 器平台; 民用: 如气象勘测、核辐射探测、航空摄 影、航空探矿、灾情监视、交通巡逻、治安监控等 两种主要种类。
度自由度进行数学建模, 运用最优控制的理论来设计控制器。针对无法观测的状态量, 设计了
卡尔曼滤波器来进行推测。通过实验验证了设计的控制器的稳定性与追踪性。
关 键 词: 多旋翼飞行器; 姿态角控制; 最优控制; 卡尔曼滤波器
中图分类号: TP 273
文献标识码: A
A ltitude Control ofM ult-i Rotor Type A ircraft Based on Pressure Sensor