多旋翼飞行器控制系统设计【文献综述】

毕业设计文献综述

电气工程与自动化

多旋翼飞行器控制系统设计

一、材料来源

参考文献主要来自于图书馆中文数据库中的CNKI期刊学位会议报纸中的中国期刊全文数据库。

二、飞行器的发展历史以及现状分析

在我国，几个世纪的发展，让我们看着各种飞行器像雨后春笋般出现，有飞机、导弹、火箭、卫星、宇宙飞船、航天飞机、空间站、星球探测器等等，近年来，对各种飞行器的研究都十分重视，国内外许多开源项目都能提供相当多的资料。

自从欧洲的莱特兄弟发明飞机到现在，人们都一直在为能够在蓝天中飞翔而激动不已，但是同时又受着起飞、着落所需的场地的困扰。在莱特兄弟的时代，飞机只要有一片草地或缓坡就可以轻松地起飞和着陆。在不列颠之战和巴巴罗萨作战中，当时性能最高的“喷火”战斗机也只需要一片平整的草地就可以轻松地起飞，除了那些重型轰炸机，很少有必须要用“正规”的混凝土跑道才能起飞、着陆的。然而，这些飞机早已经不能和今天的飞机的性能相比，但飞机的对跑道的冲击、飞机的重量和滑跑速度，使对起飞、着陆的具体跑道的要求有增无减，甚至连简易跑道也是高速公路级别的。现代各种战斗机和其他高性能的军用飞行器对坚固、平整的长跑道的依赖，早已经成为现代各国空军致命的软肋。为了解决这一困境，从航空先驱者们的时代开始，人们就在孜孜不倦地研究着具有垂直短距起落能力的能够象鸟儿一样腾飞的飞机。当人们跳出模仿鸟儿拍翅飞行的思维怪圈之后，以贝努力原理为依据的空气动力升力就成为了除气球和火箭外其他所有动力飞行器的重要的基本原理。所谓“机翼前行”，实际上指的就是机翼和周围空气形成了相对速度，当机翼前行时，上下翼面之间的气流速度差导致上下翼面之间的压力差，这就是所谓的升力。和机身一起保持前行时，机翼可以造成一定的升力，机身不动但机翼像风车叶一样打转，和周围空气形成相对速度，这样也可以形成升力，这样旋转的“机翼”就形成了旋翼，旋翼产生了的升力就是直升机垂直起落的基本原理。

随着微机电系统（MEMS）技术以及微惯导（MIMU）等相关技术的迅猛发展，微型无人飞行器业已成为目前无人机领域的研究热点之一，它在军用和民用领域中均具有

非常广泛的应用前景，比如航拍、监控、运输等。但由于微型飞行器飞行过程中，不仅受到多种物理因素的影响（重力、陀螺效应、空气动力和旋翼惯量矩等），还很容易受到气流等外部环境因素的干扰，因此，对飞行器进行稳定的控制也是一个相当有难度的挑战。

多旋翼飞行器中最具代表性的就是四旋翼飞行器，对四旋翼的研究意义任重而道远。四旋翼飞行器作为一种特殊结构的无人飞行器，近年来受到了各国科研人员的热情关注，四旋翼飞行器是一个可以实现竖直起降（VTOL）和悬停等动作的多旋翼飞行器，是一种高度耦合、多变量、非线性、欠驱动（under-actuated system）（严格的说有4个输入量，6个自由度）系统。作为微型飞行器自主飞行的基础—姿态控制，它的控制结果对微型飞行器飞行特性的影响非常重要。

四旋翼飞行器实际上是一类安装有四个螺旋桨的直升机，而且四个螺旋桨在平面上呈现十字交叉的结构。四旋翼飞行器飞行的动作是通过控制和调节周边四个螺旋桨产生的升力大小来实现的。目前传统的旋翼式直升机一般通过改变它的螺旋桨的旋转速度、叶片的倾斜角和叶片的轮列角，从而既能够调整升力的大小，还可以调整升力的方向。但是与传统的旋翼式直升机不同，四旋翼飞行器只可以通过改变四个螺旋桨的速度来实现各种飞行动作。虽然四旋翼飞行器的四个螺旋桨的倾斜角都是固定不变的，但是由于每个螺旋桨都是用弹性材料制做而成的，因而可以通过空气阻力扭曲螺旋桨来改变倾斜角。总之，四旋翼飞行器的升力是四个螺旋桨速度的合成效果，而四旋翼飞行器的旋转力矩则是由四个螺旋桨速度的差异引起的。

直升机在他的发展历程中巧妙使用总距控制和周期变矩控制之前，经典的四旋翼的结构被公认为是一种最简单和直观的稳定控制方式。然而由于这种结构形式必须同时协调地控制四个旋翼的运行状态参数，对驾驶员的人为操纵来说是一件非常复杂的事，所以这种方案始终没有能够真正在大型直升机设计中被公众采用。这里，四旋翼飞行器考虑采用这种结构形式，主要是因为总距控制和周期变矩控制虽然精巧，控制灵活，但其复杂的机械结构却使它无法轻易在小型四旋翼飞行器设计中应用，所以很有研究开发的必要。

另外，四旋翼飞行器的旋翼工作效率相对较低，要想从单个旋翼上增加拉力是很有限的，所以采用多旋翼结构形式毋庸置疑是一种提高四旋翼飞行器飞行时的负载能力的最有效的措施之一。针对四旋翼结构存在的控制量较多的问题，可以通过设计合适的自动飞行控制系统去解决。四旋翼飞行器采用四个旋翼的直接动力源，旋翼对称分布在飞行器的前、后、左、右的四个方向，并且四个旋翼处于空间的同一高度的水平面上，而

且四个旋翼的结构都相同，四个电机以对称的形式安装在飞行器的支架端，支架中间的空间用于安放飞行控制系统的电路板和电源。

典型的直升机一般配备有一个主转子和一个尾桨，他们通过控制舵机来精确改变螺旋桨的桨距角，从而起到控制直升机的姿态和位置的作用，然而四旋翼飞行器与此不同，它是通过调节四个电机转速来改变对应的旋翼转速，实现调整升力的变化，从而起到控制飞行器的姿态和位置的作用。由于四旋翼飞行器是通过改变旋翼转速来实现升力变化，这样会导致其动力相对不稳定，所以在控制方面需要一种能够用于长期保持稳定的控制算法。从结构上说，四旋翼飞行器就是一种六自由度的垂直升降机，因而非常适合在静态和准静态条件下平稳飞行。

三、参考文献

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