四旋翼飞行器中英文对照外文翻译文献

四旋翼飞行器中英文对照外文翻译文献

(文档含英文原文和中文翻译)

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取材于飞行玩具。虽然这样的系统可以作为原型，但是它们是还没有健全到能够服务于所有实验机器人平台。我们已经开发出了X‐4，采用定制底盘和带有现成的电机和电池航空电子设备，是一个高度可靠的实验平台。这个飞行器使用嵌入式姿态动力学控制器以稳定飞行。被用来调节飞行器的姿态的控制器是一个线性的单输入单输出系统。

1 介绍

直升机的一个主要难点是为了可靠的飞行，飞行器需要广泛的，和昂贵的维修费用。无人驾驶航空飞行器（无人机）和微型飞行（MAV）也不例外。简化飞行器的机械结构能够方便操控这些飞行器。

四旋翼是一种强大且简单的直升机，因为他们没有传统旋翼飞行器的复杂旋转倾转盘和联系。多数四转子飞行器是根据遥控玩具的组件构建而成的。因此，这些缺少必要的可靠性和性能的飞行器是不可能成为是切实可行的实验平台的。

1.1 目前的四旋翼平台

最近几个四转子工艺已被开发用于制作玩具或进行研究。因为市场的需求，许多关于四旋翼的研究开始了，如HMX2‐4 和Rctoys 的Draganflyer。一成不变的，这些由塑料电机组成的飞行器的机身都带灯光。它们是由镍镉电池或锂聚合物电池供电，并且使用基于速度反馈的mems陀螺仪。这些四旋翼一般没有稳定的稳态。

自动稳定及使用各种硬件和控制方案被用于研究四旋翼。例如，CSIRO的四旋翼飞行器，是一个Draganflyer的衍生物，它使用视觉伺服和惯性测量单元（IMU）来使飞行器稳定在一个固定的点上。其他的四旋翼，包括Eidgenossische Technische Hochschule Zurich的‘OS4’，一个带有低纵横比的叶片的带传动的飞行器; CEA 的“X4‐flyer'1，一个带有四个电机和叶片的四旋翼]。还有康奈尔大学的自治飞行器，一个采用的飞机螺旋桨的大型飞行器。

澳大利亚国立大学（ANU）的X‐4四旋翼微型飞行器旨在解决小型无人机面对的的问题。X‐4比同类型机器人重很多：它重4kg ，并且被设计用于携带1千克的载荷。它有碳纤维材料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组件。马达直接驱动转子，不需要变速箱，机器人仅具有8个可移动部分。因此，它是一个在小范围的在飞行中很难发生灾难性故障的坚固的、稳定的四旋翼。它能提供一个实用的有效载荷能力并且续航时间长。

1.2 当前发展的目标

高性能的电机和转速控制器已经被用于X‐4。这些都充分解决推力的产生和电机的调速性能之间的问题。此外，一个包括旋翼拍打的影响的飞行动力学模型被推倒出来。它是一个关于在不同配置和干扰下的四旋翼的轨迹的3d模拟器。

当前研究飞行器的目的在于稳定飞行器滚动，俯仰和偏航等飞行姿态。连续飞行要求俯仰和横滚角保持在零附近，除了需要积极转换的时候。飞行系统天生的不稳定性需要积极的补偿。特殊的设计引发的不稳定俯仰和横滚用一个控制器可以很容易地解决。

在本文中，我们提出了X‐4是一个功能健全的空中机器人。关于四旋翼直升机叶片的动力学正在研究中。我们从数据中估计出系统参数，并建立了数学模型。根据六自由度空气动力学模型我们推导纵向（俯仰/滚动）的解耦动力学和方位模式。控制的方法是优化机械

设计来达到解耦动力学中的动态控制并实现线性单输入单输出系统的控制。控制器是为了让飞行器在仿真中更加稳定，然后去证明飞行器在小范围飞行中的倾斜和翻滚的补偿功能

2 X‐4的硬件和构造

由于X‐4巨大的构造使它区别于其他的飞行器。它包括一个底盘，电机和动力电池以及姿态控制单元和通讯电子设备。每个子系统的描述详细如下：

2.1 机壳

X‐4有铝制的中央框架和炭纤维四臂。规则排列的安装点允许COG 可以很容易地移动。电机和电池都尽可能地安装在远离中心轴线的地方。手臂角度略有倾斜，使四臂和转子之间空出更多的间隙。电机顶部是旋转的中心，一个处在驱动杆和叶片之间自由关节点。叶片被电机顶部和底部板紧紧夹住。

2.2 驱动系统

在X‐4 的电机设计被设计成用于托起四旋翼，并留有30%的余量（大于超过520 千克）。叶片是三层的碳纤维，由ANU设计制造。.它的几何结构设计成这样是为了让转子在欠负荷下处在最佳的工作状态。ANUX2旋桨使用的是为电机特制的截面

无线电遥控的飞行器是由Jeti Phasor 30-3三相无刷电机驱动的他们提供的高扭矩的性能可以直接驱动转子，省去了齿轮。电机可以通过超过300 瓦，额定电流可达35 A。

电机通过定制电机控制板整流。这些是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发明的。该板立基于各地的飞思卡尔HC12D60A 微处理器和东芝TB9060 无刷电机转速控制芯片。

能量由24 锂聚合物2000 毫安电池提供。每个单元有3.7 伏的标称电压，范围从4.2V 完全充电，并在枯竭时下降到3V。每个单元可以提供高达20A 的电池。电池被连接到带有 6 平传，每个平传由四个单元串联而成的电源总线上，也就是说，每个转子有14.8v的标称电压和120A的电流消耗。这可以使飞行器达到预期的在盘旋速度下11分钟的飞行时间。

2.3控制

该工艺是通过板载嵌入式HC12 稳定控制器完成的。该控制器从CSIRO Eimu惯性测量单元读取姿态数据：角速度和加速度和50Hz 下的估计角度位置。该控制器根据CAN 总线上的电机控制单元输出转子转速，也在50 Hz。

2.4命令和遥测

根据相关机器人的用法和X-4的状态信息，信息是由连接到一台运行Linux的笔记本电脑基站上的长距离蓝牙模块传输的。蓝牙单元具有100M的有效距离。飞行器的遥测数据从基站上下载下来并显示在屏幕上。用户可以通过笔记本电脑键盘和一个JR‐X3810 无线手机发出命令。

无线手机也能通过机上的无线电接收机触发独立于蓝牙通信信