无人机发展现状研究论文

4 四旋翼无人机动力模型[5] 4.1 模型说明
Ft3 Ft2 Γd3
zb yb
Γd2
τ
Ft4 Γd4
z
i
0
xb
Ft1
f Mg
yi
Γd1
0
xi
图 1 无人机结构简图及受力分析 如图 1 四旋翼无人机结构简图。首先我们做如下假设说明： ① 取地面坐标系为惯性坐标系 i(以下简称 i 系)，重力加速度 g 取固定值；机体坐标系 b(以下简称 b 系) 固连于机身，重心与原点重合； ② 不考虑地球自转及公转影响及螺旋桨挥舞特性；
2 2 2 q0 q12 q2 q3 R 2 q1q2 q0 q3 2 q1q3 q0 q2
2 q1q2 q0 q3 2 2 2 q0 q12 q2 q3 2 q1q3 q0 q1
2 q1q3 q0 q2 2 q2 q3 q0 q1 2 2 2 q0 q12 q2 q3
2 无人机常用控制方法 主要的控制算法有：经典 PID、非线性 PID、自抗扰控制、模糊控制、鲁棒控制等。在缩短系统响应时 间，提高系统稳定性等方面取得了相应的成果。
3 无人机飞控硬件组成 ① 主处理控制器。主要有通过型处理器(MPU)、微处理器(MCU)、数字信号处理器(DSP)。随着 FPGA 技术的发展，相当多的主处理器将 FPGA 和处理器成功能强大的主处理控制器。 ② 二次电源。二次电源是飞控计算机的一个关键部位。飞控计算机的二次电源一般为 5V、± 15V 等直流电源电压，而无人机的一次电源根据型号不同区别较大，要对一次电源根据不同型号不同区别较大， 要对一次电源进行变换。现在普遍使用集成开关电源模块。 ③ 模拟量输入/输出接口。模拟量输入接口电路将各传感器输入的模拟量进行信号调整、增益变换， 模/数(A/D)转换后，提供给微处理器进行相应的处理。模拟信号一般可分为直流模拟信号和交流调制信号两 类。模拟量输出接口电路用于将数字控制信号转换为伺服机构能识别的模拟控制信号，包括模/数转换、幅值 变换和驱动电路。 ④ 离散量接口。离散量输入电路用于将飞控计算机内部及外部的开关量信号变换为与微处理器工 作电平兼容的信号。
b b 1 b b I 1 I cr j I I cr j j 1 b b 1 I 1 I I
4




(2)
0 x 1 R y 0 R t RT v i M 4 M z k 2 j j 1


0 0 g
(1)
式中， RT v i 表示 b 系下速度， t ( RT v i ) 表示 b 系下的平动空气阻力大小， R( t ( RT v i )) 表示 i 系下的平动 空气阻力大小。 由角动量定理及哥氏定理有转动方程：
无人机控制系统研究现状
摘 要：介绍了目前无人机常用控制方法；描述无人机控制系统的系统组成、结构及相关硬件组成； 对 X 型四旋翼无人机做了合理假设以及受力分析， 推导并建立了 X 型四旋翼无人机全面的动力学数学模型， 考虑了无人机平动、转动空气阻力，并且将转子、螺旋桨和机体看成多刚体系统。在机体坐标系下推导了 电动机转子动力学方程。在 Solidworks 软件中，建立了无人机实物模型以获得无人机惯性参数。采用四元 数进行姿态解算从而避免产生奇点。直接以四元数作为反馈控制量，设计出多通道双回路矢量 PD 控制系 统。最后以 Matlab/Simulink 为平台，分别对四元数反馈控系统和欧拉角反馈控制系统进行对比控制仿真。 从仿真结果来看，这两种反馈模式都能对无人机模型进行位置、姿态跟踪等控制，但是四元数反馈控制系 统具有过渡时间短、计算量少以及无奇点产生的优点。 关键词：控制方法；X 型四旋翼；多刚体系统；四元数；PD
1.1 无人机的定义 无人机是一种由动力驱动、机上无人驾驶的航空器。 1.2 无人机的系统组成与功能 无人机系统由无人机平台、任务载荷、数据链、指挥控制、发射与回收、保障与维修等分系统组成，各 分系统组成和功能如下： ① 无人机平台分系统：包括机体、动力装置、飞行控制与导航子系统等； 无人机平台分系统是执行任务的载体，它携带任务载荷，飞行至目标区域完成要求的任务。 ② 任务载荷分系统：信息支援、信息对抗、火力打击等； 任务载荷分系统完成要求的信息支援、信息对抗、火力打击等任务。 ③ 数据链分系统：无线电遥控/遥测设备、信息传输设备、中继转发设备等； 数据链分系统通过上行信道， 实现对无人机的遥控； 通过下行信道， 完成对无人机飞行状态参数的遥测， 并传回任务信息。 ④ 指挥控制分系统：飞行操纵设备、综合显示设备、飞行航迹与态势显示设备、任务规划设备、记录 与回放设备、情报处理与通信设备、与其它任务载荷信息接口等； 指挥控制分系统完成指挥， 作战计划制定， 任务数据加载， 无人机地面和空中工作状态监视和操纵控制， 以及飞行参数、态势和任务数据记录等任务。 ⑤ 发射与回收分系统：与发射(起飞)和回收(着陆)有关的设备或装置，如发射车、发射箱、弹射装置、 助推器、起落架、回收伞、拦阻网等； 发射与回收分系统完成无人机的发射(起飞)和回收(着陆)任务。 ⑥ 保障与维修分系统：基层级保障维修设备，基地级保障维修设备等。 保障与维修分系统主要完成无人机系统的日常维护，以及无人机的状态测试和维修等任务。
⑤ 通信接口。用于将接受的串行数据转换为可以让主处理器读取的数据或将主处理器要发送的数 据转换为相应的数据。 飞控计算机和传感器之间可以通过 RS232/RS422/RS485 或 ARINC429 等总线方式通信， 随着技术的不断发展，1553B 总线等其他总线通信方式也将应用到无人机系统中。 ⑥ 余度管理。无人机余度类型飞控计算机多为双余度配置。余度支持电路用于支持多余度机载计 算机协调运行，包括：通道计算机间的信息交换电路，同步指示电路，通道故障逻辑综合电路及故障切换电 路。通道计算机间的信息交换电路是两个通道飞控计算机之间进行共享信息传递的信息通路。同步指示电路 是同步运行的余度计算机之间相互同步的支持电路。通道故障逻辑综合电路将软件监控和硬件监控电路的监 控结果进行综合，他的输出用于故障切换和故障指示。 ⑦ 加温电路。通常用于工作环境超出工业品级温度范围的飞控计算机当中，以满足加温电路所需功 率和加温方式的需求。 ⑧ 检测接口。飞控计算机应留有合适的接口，方便与一线检测设备、二线检测设备连接。 ⑨ 飞控计算机机箱。它直接影响计算机抗恶劣环境的能力以及可靠性、可维护性、使用寿命。
Research Status Of UAV Control System
Abstract: The common control methods of unmanned aerial vehicle ( UAV ) are introduced. The system composition, structure and related hardware composition of UAV control system are describedsA comprehensive kinetic model of X-type quadrotor is established and simulated, the model treats rotors, propellers and the aircraft body as a multi-rigid-body system. To avoid appearing singularity using quaternion for attitude calculation. A multi-channel-double-loop vector PD flight controller based on quaternion feedback is designed. The close-loop system is simulated on Matlab/Simulink, the inertial parameters are extracted from Solidworks design data. Comparison of simulation results between quaternion feedback controller and euler feedback controller are made, shorter transition time, less calculation and non-singularity is observed during simulation.. Key words: Control Methods; X-type Quadrotor; Multi-rigid-body system; Quaternion; PD 0 引言 无人驾驶飞机简称 “无人机” ， 是利用无线电遥控设备和程序控制装置操纵的无人飞机。 机上没有驾驶舱， 但安装有自动驾驶仪、程序控制装置等设备。地面、舰艇上或母机遥控站人员通过雷达等设备，对其进行跟 踪、定位、遥控、遥测和数字传输。可在无线电遥控下像普通飞机一样起飞或用助推火箭发射升空，也可由 母机带到空中投放飞行。回收时，可用与普通飞机着陆过程一样的方式自动着陆，也可通过遥控用降落伞或 拦网回收。可反覆使用多次。广泛用于空中侦察、监视、通信、反潜、电子干扰等。目前国内外学者基于所 建立的十字型微小型四旋翼无人机数学模型[1]，提出了多种控制算法，做出了多种尝试。精确地四旋翼无人 机数学模型对控制算法实际应用具有重大的指导意义。然而在对无人机建模时，一些文献忽略飞行过程中空 气阻力的影响； 另一些文献则认为在小角度情况下认为欧拉角速度等于机体角速度[2][3]。而最主要的是，大多 数文献将无人机看成完全对称的单刚体并且没有考虑电机角加速度的影响，这种对称简化弱化了无人机三维 转动之间的耦合以及螺旋桨转子的陀螺效应；从而降低了控制器的控制性能。本文将机体、电机转子以及螺 旋桨看成多刚体系统，在 SolidWorks 软件中建立 X 型四旋翼无人机三维实物模型，并从中获取其惯性参数。 从刚体动力学原理出发建立了较为全面的无人机数学模型。用四元数进行姿态解算，设计了四元数反馈模式 矢量 PD 控制系统。成功实现对四旋翼无人机的位置、姿态的控制。 1 无人机的及系统组成与功能[4]
4.2 受力分析 如图 1 所示，四旋翼无人机受力分析： ① 重力：Mg，方向沿 zi 轴负方向； ② 平动空气阻力：f = γtvb,γt 为平动空气阻力系数，方向与 vb 方向相反； ③ 转动空气阻力矩：τ = γr Ωb, γr 为转动空气阻力系数，方向与 Ωb 方向相反； ④ 螺旋桨推力：Ftj,大小 Ft系数，方向沿 zb 轴正方向； ⑤ 螺旋桨阻力矩：Γdj，其大小Γdj =αωj2 ,j=1,2,3,4；α为螺旋桨阻力系数，方向与螺旋桨角速度方 向相反[3] 。 4.3 动力学方程 由牛顿第二定律得平动方程为：
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③ 把机体和无刷电机转子视为刚体，螺旋桨视为与实际质量相等的均质等厚度圆盘刚体。在 b 系中， 每个电机转子和螺旋桨看成一个整体，对其质心的惯量张量为 Icr，机体对原点的总惯量张量为 I； ④ 考虑到 i 系下机体迎风面的不对称性对空气阻力的影响。假设平动空气阻力大小与 b 系中速度 vb 成 正比；转动空气阻力矩大小与 b 系中机体角速度 Ωb 成正比； ⑤ 姿态四元数 q=(q0 q1 q2 q3)，则从 b 系到 i 系的坐标转换矩阵为：