四旋翼无人飞行器控制技术1

1、四旋翼无人飞行器控制技术四旋翼无人飞行器控制技术1、自动控制系统的预备知识、自动控制系统的预备知识2、四旋翼飞行器概述、四旋翼飞行器概述3、飞行原理、飞行原理4、四轴飞行器组成、四轴飞行器组成5、控制方法、控制方法在没有人直接参与的情况下，利用外加的设备或装置（称为控制装置或控制器），使机器、设备或生产过程（通称被控对象）的某个工作状态或参数（即被控量）自动地按照预定的规律运行。自动控制自动控制自数控机床、室内温度控制、机车、船舶及飞机自动驾驶、导弹制导等等。应用领域应用领域人工控制恒温箱过程人工控制恒温箱过程 观察恒温箱内的温度（被控制量） 与要求的温度（给定值）进行比较。得到温度偏差的大小

2、和方向 根据偏差大小和方向调节调压器，控制加热电阻丝的电流以调节温度回复到要求值。 检测偏差再纠正偏差恒温箱自动控制系统框图恒温箱自动控制系统框图恒温箱自动控制系统工作原理恒温箱自动控制系统工作原理恒温箱实际温度由热电偶转换为对应的电压恒温箱实际温度由热电偶转换为对应的电压u2恒温箱期望温度由电压恒温箱期望温度由电压u1给定，并与实际温度给定，并与实际温度u2比较得到温度偏差信号比较得到温度偏差信号u=u1-u2温度偏差信号经电压、功率放大后，用以驱动执温度偏差信号经电压、功率放大后，用以驱动执行电机，并通过传动机构拖动调压器动触头。当行电机，并通过传动机构拖动调压器动触头。当温度偏高时，动触

3、头向减小电流的方向运动，反温度偏高时，动触头向减小电流的方向运动，反之加大电流，直到温度达到给定值为止，此时，之加大电流，直到温度达到给定值为止，此时，偏差偏差u=0，电机停止转动。，电机停止转动。恒温箱自动控制系统功能框图恒温箱自动控制系统功能框图从恒温箱控制系统功能框图可见从恒温箱控制系统功能框图可见给定量位于系统的输入端，称为系统输入量。也给定量位于系统的输入端，称为系统输入量。也称为参考输入量（信号）称为参考输入量（信号）被控量位于系统的输出端，称为系统输出量。被控量位于系统的输出端，称为系统输出量。输出量（全部或一部分）通过测量装置返回系统输出量（全部或一部分）通过测量装置返回系统的

4、输入端，使之与输入量进行比较，产生偏差（的输入端，使之与输入量进行比较，产生偏差（给定信号与返回的输出信号之差）信号。输出量给定信号与返回的输出信号之差）信号。输出量的返回过程称为反馈。返回的全部或部分输出信的返回过程称为反馈。返回的全部或部分输出信号称为反馈信号。号称为反馈信号。控制系统的工作原理控制系统的工作原理检测输出量（被控制量）的实际值检测输出量（被控制量）的实际值将输出量的实际值与给定值（输入量）进将输出量的实际值与给定值（输入量）进行比较得出偏差；行比较得出偏差；用偏差值产生控制调节作用去消除偏差，用偏差值产生控制调节作用去消除偏差，使得输出量维持期望的输出使得输出量维持期望的输

5、出由于存在输出量反馈，上述系统能在存在由于存在输出量反馈，上述系统能在存在无法预计扰动的情况下，自动减少系统的无法预计扰动的情况下，自动减少系统的输出量参与输入量（或者任意变化的希望输出量参与输入量（或者任意变化的希望的状态）之间的偏差，故称之为反馈控制的状态）之间的偏差，故称之为反馈控制显然：反馈控制建立在偏差基础上，其控显然：反馈控制建立在偏差基础上，其控制方式是制方式是“检测偏差再纠正偏差检测偏差再纠正偏差”这种基于反馈原理，能对输出量与参考输这种基于反馈原理，能对输出量与参考输入量进行比较，并力图保持两者之间既定入量进行比较，并力图保持两者之间既定关系的系统。称为反馈控制系统，反馈控关

6、系的系统。称为反馈控制系统，反馈控制系统具有量测、比较和执行三个基本功制系统具有量测、比较和执行三个基本功能能注意注意反馈控制系统中，反馈信号是与给定信号反馈控制系统中，反馈信号是与给定信号相减，使偏差越来越小，称为负反馈。负相减，使偏差越来越小，称为负反馈。负反馈控制是实际自动控制最基本的方法。反馈控制是实际自动控制最基本的方法。闭环控制系统：按偏差进行控制，较高的动静态控制性能；结构、线路复杂，系统分析与设计较复杂。开环控制系统（顺序控制）：系统输出量对系统的输入量不产生影响，结构简单、调整方便、成本低自动控制系统的基本形式（根据有无反馈）自动控制系统的基本形式（根据有无反馈）优势优势垂直

7、起降垂直起降悬停、倒飞、侧飞能力悬停、倒飞、侧飞能力螺旋桨小，飞行安全螺旋桨小，飞行安全结构简单，控制灵活结构简单，控制灵活四旋翼结构图用途用途国际四旋翼无人直升机研究方向国际四旋翼无人直升机研究方向基于惯性导航的自主飞行控制基于惯性导航的自主飞行控制基于视觉导航的自主飞行控制基于视觉导航的自主飞行控制多智能体群控制多智能体群控制3、四旋翼飞行原理（以、四旋翼飞行原理（以MK为例）为例） 四轴飞行器有四个电机呈十字形排开，驱动四片四轴飞行器有四个电机呈十字形排开，驱动四片桨旋转产生推力。四电机距几何中心距离相等，桨旋转产生推力。四电机距几何中心距离相等，对角两轴产生升力相同时保证力矩平衡对角两

8、轴产生升力相同时保证力矩平衡 四电机一对正转，一对反转使得竖直轴方向旋转四电机一对正转，一对反转使得竖直轴方向旋转的反扭矩平衡，保证四轴航向的稳定。的反扭矩平衡，保证四轴航向的稳定。3、四旋翼飞行原理（以、四旋翼飞行原理（以MK为例）为例） Mk规定四轴电机的排布方式如图示：前（规定四轴电机的排布方式如图示：前（1号）号）、后（、后（2号）、右（号）、右（3号）、左（号）、左（4号）。号）。1,2号电号电机顺时针方向旋转，机顺时针方向旋转，3,4号电机逆时针旋转。号电机逆时针旋转。四个电机的转速做相应的变化即可实现四轴四个电机的转速做相应的变化即可实现四轴 横向横向、纵向、竖直方向和偏航方向上

9、的运动。、纵向、竖直方向和偏航方向上的运动。3、四旋翼飞行原理（前方运动）、四旋翼飞行原理（前方运动） 前方运动前方运动：3,4号号电机保持电机保持转速不转速不变，变，1号号电机转速电机转速下下降降，2号号电机转速电机转速上升上升，此时，此时2号电机产生的升力大号电机产生的升力大于于1号电机的升力，四轴沿几何中心向前倾转，桨叶号电机的升力，四轴沿几何中心向前倾转，桨叶升力沿升力沿纵向纵向的分力驱动四轴向前运动。的分力驱动四轴向前运动。3、四旋翼飞行原理（左转）、四旋翼飞行原理（左转） 转左转左：1,2号号电机保持电机保持转速上升转速上升，3,4号号电机转速电机转速下降下降，使向左的反扭矩大于向

10、右的反扭矩，四轴在反扭，使向左的反扭矩大于向右的反扭矩，四轴在反扭矩的作用下向左旋转。矩的作用下向左旋转。3、四旋翼飞行原理（左转）、四旋翼飞行原理（左转） 四个桨产生的推力，超过或者低于四轴本身重力的四个桨产生的推力，超过或者低于四轴本身重力的时候能够实现竖直方向上升与下降的运动，当桨的时候能够实现竖直方向上升与下降的运动，当桨的升力与四轴本身的重力相等的时候即实现悬停。升力与四轴本身的重力相等的时候即实现悬停。4、MK版四轴飞行器组成版四轴飞行器组成 一个飞控板，四个无刷电机电调、四个无刷电机一个飞控板，四个无刷电机电调、四个无刷电机、一对正桨，一对反桨，一个机身，一块锂电（、一对正桨，一对反桨，一个机身，一块锂电（34节），一套大于等于节），一套大于等于4通道的遥控器和接收机通道的遥控器和接收机5、控制方法、控制方法 四旋翼无人飞行器控制系统简图四旋翼无人飞行器控制系统简图 关键技术关键技术最优化总体设计最优化总体设计 设计原则：重量轻、尺寸小、速度快、能耗低设计原则：重量轻、尺寸小、速度快、能耗低动力与能源动力与能源 提高动力装置效率，采用高效能源提高动力装置效率，采用高效能源数学模型的建立数学模型的建立飞行控制飞行控制 研制可以精确控制飞行器姿态，并且具有抗干研制可以精确控制飞行器姿态，并且具有抗干扰能力强和环境自适应能力强的姿态控制器扰能力强和环境自适应能力强的姿态控