微小型四旋翼无人机研究进展及关键技术浅析

微小型四旋翼无人机研究进展及关键技术浅析

岳基隆,张庆杰,朱华勇

(国防科学技术大学机电工程与自动化学院,长沙410073)

摘要:随着嵌入式处理器、微传感器技术和控制理论的发展和成熟,微小型四旋翼无人机逐步向高效、多功能化方向发展,并广泛应用于军事、民用、以及科学研究等多个领域。首先,从原型研发、平台集成和商业化应用3个方面介绍了目前国内外在该领域最新的研究情况。结合四旋翼无人机的特点,着重分析了微型机电系统、空气动力学设计、非线性系统建模以及飞行控制等关键技术。最后,在国内外研究进展和关键技术分析的基础上,指出了未来四旋翼无人机技术发展趋势。

关键词:四旋翼;无人机;进展;关键技术

中图分类号:V279文献标志码:A文章编号:1671-637X(2010)10-0046-07

Research Progress and Key Technologies ofM icro

Quad-Rotor UAVs

YUE Jilong,Z HANG Q ing jie,ZHU H uayong

(Co ll ege ofM echtron ic&A uto m ation,N a ti ona lU n i ve rs i ty o f D efense T echno l ogy,Changsha410073,Ch i na)

A bstract:W ith the develop m en t of e mbedded processors,m icro-sensor techno l o gy and contro l theory, m icro quad-ro tor UAV i s g radually deve l o ped to be m ore e ffi c ient and m u lt-i f u nctiona,l and has found w i d e application in m ilitary,c i v ili a n,scientific research and other fie l d s.F irst o f a l,l the latest research situati o n at ho m e and abroad is introduced fro m t h ree aspects of pr o totype research and developm en,t p latf o r m i n tegration and co mm ercia l applicati o n.Second,accordi n g to the characteristics of quad-rotor UAV,the key technolog ies of m icro-electrical syste m,aerodyna m ic design,nonlinear syste m m ode ling and fli g ht contro l are ana l y zed i n detai.l F i n ally,the future developm ent trend of quad-r o tor UAV is presented based on the research progress and key techno log ies analysis.

K ey words:quad-r o tor;Unm anned AerialV eh icle(UAV);developm en;t key techno logy

0引言

近年来,无人机(U n m anned A erial V ehicles,UAV)的应用和研究广泛受到有关各个方面的重视。世界主要国家在发展长航时无人机和作战无人机的同时,也在着力发展小型和微型无人机,不断研制无人机小型化,甚至微型化的技术。世界军事强国特别是美国对微小型无人机的需求日益提高,并力求使其在作战中发挥更大的作用。随着嵌入式处理器、微传感器技术、控制理论的发展,微机电系统技术在军事武器、民用产

收稿日期:2010-03-28修回日期:2010-05-19

基金项目:国防基础研究项目资助(A2820080247);国家安全基础研究项目资助(6138101001)

作者简介:岳基隆(1982)),男,甘肃兰州人,硕士生,研究方向为微小型无人机自主飞行控制。品等各方面的广泛应用,世界各国都开始竞相开发研制遥控式、半自主式或自主式的单兵可携带的微小型无人机,并逐步装备部队。微型无人机可以完成超低空侦察、干扰、监视等各种复杂的任务。载有全天候图像传感器的微小型无人机可以近距离对目标实施侦察监视。

四旋翼无人机由于能够垂直起降(V ertical T a keoff and Landing,VTOL)、自由悬停,可适应于各种速度及各种飞行剖面航路的飞行状况。它具有如下几个特点:1)体积小、重量轻、隐蔽性好,适合多平台,多空间使用,可以在地面、军舰上灵活垂直起降,不需要弹射器、发射架进行发射;2)飞行高度低,具有很强的机动性,执行特种任务能力强,微小型四旋翼无人机飞行高度为几米到几百米,飞行速度为每秒几米到几十米,能钻到建筑物或洞穴隧道内执行侦察任务,便于在复杂环境下使用,可以对细小环节进行侦察;3)结构简单,

V o.l17N o.10

O ct.2010

第17卷第10期2010年10月

电光与控制

E l ec tron i cs O ptics&Contro l

成本低,安全性好,四旋翼无人机可以提供准确实时的目标探测信息,成本较低,拆卸方便,且易于维护。

1微小型四旋翼无人机研究进展

作为一种微小型无人机,四旋翼无人机拥有其他无人机不可具有的诸多优势[1](见表1),是一种新型无人机,因此无论是在军事领域还是在民用领域都有着广阔的应用前景。表1中:1表示差;4表示很好;A为传统直升机;B为单主旋翼带尾桨式直升机;C为共轴双旋翼直升机;D为纵列式双旋翼直升机;E为四旋翼;F为软体飞行器;G为仿鸟飞行器;H为仿昆虫飞行器。

表1垂直起降飞机(VTOL)性能比较

T ab le1V er tica l Tak eoff and L and i ng(VTOL)

con cep ts co m par ison

A B C D E F G H

动力代价22221433

控制代价11423321

负载/体积22433121

机动性43223133

机械简单性12314411

空气动力复杂性11114311

低速飞行43434422

高速飞行24123133

小型化23423124

生存能力13311323

静态飞行44444312

总和2428322333282224四旋翼无人机是微机电系统集成的产物,国外很多实验室和大学都有四旋翼无人机研究项目,许多研究机构成功开发了具备在简单约束环境中自主飞行能力的四旋翼无人机,但是发展在复杂环境中全自主飞行仍然是个挑战。下面,将从原型探索研究与开发、现有平台集成研究、商业化应用3个方面对国内外微小型四旋翼无人机研究进展进行描述。

1.1微小型四旋翼原型探索研究与开发

主要介绍瑞士洛桑联邦科技学院(EPFL),澳大利亚国立大学(AUN)以及国内某大学在微小型四旋翼无人机原型探索方面的研究进展。

瑞士洛桑联邦科技学院OS4项目(Omnidirect i onal Stationary F l y i ng Outstr etched Robot)[1-2]。OS4四旋翼无人机是由电力驱动的(见图1),可在室内/外环境全自主飞行。OS4原型是全自主四旋翼平台,该项目的研究目标是设计和开发一个自主控制四旋翼直升机系统。此外,EPFL还研究了OS4的避障问题[3],使用4个超声波传感器探测障碍物、一个超声波传感器测高度,并在M atlab/S m i uli nk仿真环境下进行了OS4避障模型的测试,设计了避障控制器、基于位置和速度控制的5种不

同避碰方法,并做了相关测试实验证明,OS4在仿真环境中能够避开障碍物,安全飞行。下一步研究重点是增强平台推力,使OS4更可靠,提高自主飞行能力,改进视觉传感器以及测试航点跟随和机动避障能力。

图1瑞士洛桑联邦科技学院OS4

F i g.1S w itze rland EPFL O S4

X-4F lyer M ark II[4]是AUN(A ustralia n N ati onal Un i versity)开发的四旋翼实验平台(见图2),其动力学特性比早期开发的X-4F lyerM ar k I(见图3)更理想,飞行器的控制算法运算可由机载计算机独立完成。X-4F l yer M ark II飞行器比其他四旋翼无人机实验平台都重(见表2),采用碳纤维机架和铝制底盘。该平台结构稳定,有特定机载航空电子设备,并且设计了一个特殊的航空弹性叶片。M at l ab仿真分析表明倒转四旋翼结构有利于四旋翼的稳定飞行,并具有较高的抗干扰能力。X-F lyerM ar kÒ采用线性SISO控制器用于姿态控制,以解决俯仰和横滚模态耦合性,并使用干扰输入模型来估计对象的执行效果,补偿器能有效调节高度和旋翼速度。

图2X-4F l y er图3X-4F lyer M ark I

M ark II四旋翼平台四旋翼平台

F ig.2X-4F l ye rM ark II F ig.3X-4F l ye rM a rk I

国内开展了微小型四旋翼无人机的相关技术研究。主要两种四旋翼,图4所示四旋翼机身由两支空心铝竿构成;动力设备采用Draganfl yerÓ旋翼、瑞士M axon电机以及自行设计的齿轮减速装置;飞行控制系统主要包括飞行控制计算机、旋翼转速伺服控制子系统、传感器子系统、无线通信子系统。图5所示四旋翼采用玻纤板结构,重量轻,且不易损坏。螺旋桨采用10in(1i n=2.54c m)GWS三叶正反桨,经过多次飞行试验证明该桨抗撞击力强,不易折断。视频采集模块可以实时传输视频(图像压缩,可以通过W i F i实时传输),数据加载卡可记录飞行数据。下一步的研究目标是实现在室外环境中高精度姿态稳定控制、全自主航点飞行、碰撞规避等实验。

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第10期岳基隆等:微小型四旋翼无人机研究进展及关键技术浅析