中文翻译-旋翼飞机发展的系统方法

第15页共15页旋翼飞机发展的系统方法杰弗里·坎贝尔RMC加拿大Kingstons25184@rmc.ca杰里米·汉密尔顿RMC加拿大Kingstonsm0962@rmc.ca穆罕默德IskandaraniRMC加拿大Kingstons25492@rmc.ca悉尼Givigi小RMC加拿大Kingstonsidney.givigi@rmc.ca摘要：本文讨论了一个旋翼飞机自动驾驶仪的设计和实施。无人驾驶飞行器（UAV）正变得越来越重要，在监视行动。随着越来越多的飞机在一个地点工作，他们利用大量的通信带宽。提供无人机具有一定的自主权，缓解这个问题。我们的自动驾驶仪设计允许无人机起飞，中转，同时接收从一个位置到另一个位置数据的饲料，和土地在所需的位置。从的OptiTrack光学阵列得到的位置数据，以模拟一个GPS饲料被输送到旋翼。此系统的最终应用能够操作多个自治飞机在演唱会中，为了研究他们的行为和交互。关键词：旋翼直升机自动驾驶仪;线性二次调节;无人驾驶

引言本文探讨了采用系统工程方法为旋翼无人机飞机的自动驾驶控制器的开发和实施。四旋翼飞行器通过使用两套反向旋转的螺旋桨在飞如图1。图1螺旋桨的运动由推进器产生的向下的力提供到飞机框架的电梯。创建的标题转矩，由螺旋桨的第一组被取消标题由第二组的扭矩导致在运动中性框架。是通过倾斜的飞机产生的力（运动），在期望的方向在图中的x或y方向的位置移动如图2。图2合力倾斜是通过一个转子的速度降低，同时增加了转子的转速沿同一轴线上，以补偿失去的升降机。为四转子的状态方程，制定基于对身体的飞机本身所产生的力量。1.1旋翼动力学方程其中g是重力加速度，m为质量旋翼，J是惯性矩阵的旋翼，并且：其中，的是的角速度为螺旋桨i。建模的力是由于转子的推力，由于重力作用的力，以及由此产生的倾斜引起的力。风和剪切力，在这个模型中被忽视了，因为目前的试验区是在室内环境干扰可以忽略不计。因为自动驾驶仪构想出这样一个固定的高度足够高，否定效果，这架飞机可能飞行的飞机的地面效应也被忽视。飞机相对于地面的位置，通过使用变换矩阵方程纳入。使用先前推导数学模型的旋翼飞机[1]，我们采用线性模型飞机小角度approximationin秩序。的线性化允许去耦的控制器的不同方面，它们彼此独立地设计。这种设计的缺点是，取向角的变化方面的系统的响应是有限的，因为只有小的变化，在飞行过程中，可以利用。由于机器人的目的不是侵略阴谋活动，这个缺点并不只有框架方向的微小变化都必须实现运动的预期性能有很大的影响。整体设置的使用OptiTrack相机阵列的通过一个MATLAB/QuaRC的计算机接口发送到飞机，以模拟一个GPS饲料。自动驾驶仪是基于厂商控制系统Quanser的Qball的-X4飞机[2]。去耦的控制系统的模块包括的高度z，标题间距ψ，θ，和辊φ，x和y位置控制器。这些模块用于驱动飞机中内置了由生产商提供的电机控制器。模块设计直接取自均来自-X4Quanser的Qball的使用推力，动量，质量由制造商提供的数据进行了优化的数学模型和状态空间方程。该模块的控制采用比例积分微分（PID）控制系统。收益控制器的确定，采用线性二次调节器（LQR）和布赖森的规则[3]。在MATLAB的Simulink™模块设计，并进行了测试使用的QuaRC旋翼模拟图形用户界面（GUI）由制造商提供。每个模块单独进行试验，以确定其各个响应中的其它模块一起测试之前，通过将其插入到框架中的制造商的控制系统。创建的自体导频将能够确定根据外部进料和所需的飞机位置的用户输入的基础上在图上的飞机的当前位置如图3。图3运动的错误信号然后，飞机将起飞，飞至所需位置，和土地。飞机的所需位置，并输入位置数据的位置之间的差异将被转换为在x和y方向相对于机身的由自动导频算法的误差信号。这些误差信号被用来由x和y位置控制器生产飞机框架的角度的变化，导致所需的位置朝向。车辆将保持飞行，直到误差信号减少到零。控制系统将进行优化，以尽量减少过冲的风险和补偿，如果发生过冲。

二背景在世界各地的国家正变得越来越有兴趣，因为他们使用无人飞行器（UAV）在最大限度地减少人员和设备的风险以及运营成本。作业飞行的民用或军用设置固有的风险总是与飞行员和飞机的伤害或损失的条款。无人机减少损失，因为飞行员的机身登不上。无人机与传统飞机相比，也代表了显着的成本节约，因为他们可以更小，更轻。目前的预算由五角大楼正在采取措施，包括增加其无人机机队由20架飞机，以减少使用传统平台用于监视用途[4]。无人机的操作的一个问题是需要的，以便操作一个车辆大量的通信带宽。例如，一个全球鹰无人机在飞行过程中需要一个完整的卫星转发器通信[5]。对于军事，战斗空间的带宽已经极为有限。随着无人机越来越普及，带宽内的通信资源的竞争将日趋激烈。同时，民间公司通常依赖于第三方承包商通信框架和无人机的操作成本增加带宽的无人机将抵消潜在的成本节约。这个问题的答案是无人机提供一定程度的自治权。当无人机能够自主控制飞行，将大大减少他们的带宽要求的一个方面。在监控方面，如偏远地区的火灾探测，无人机带宽要求将显着减少的时间内到达搜索区域飞行时在预定的搜索模式。当无人机获得解释自己的传感器数据的能力，将进一步减少对带宽的要求。

三实验装置在实验室环境的目的是使用一个16个相机的OptiTrack阵列Quanser的飞机提供离散位置数据。飞机自动驾驶仪是无法操作的试验区，由于缺乏位置数据以外。通过了MATLAB/QuaRC的界面和无线网络的位置数据传送到飞机。MATLAB环境下也被用来创建和上传到飞机的程序数据。3.1反馈系统反馈系统是由十六OptiTrackV100R2送入四个OptiTrackOptiHubs的相机。的轮毂，然后送入一台主计算机通过USB上行链路，它提供了输入的飞机。这四个枢纽可以容纳多达24台摄像机。相机充当伪飞行实验室内的GPS信号。他们设置在广场周围飞行区如图4。广场上的每一方拥有4个摄像头。该相机监视旋翼的六自由度的x，y和z坐标（高度）和的标题，节距，和轧制[6]。OptiTrack摄像机是根据反射球被放置在红外光谱中在不同点的图案，能够识别一个特定的旋翼。的一个例子示于图5。图4实验装置图5OptiTrack反射球3.2控制器于一个典型的四旋翼UAV[1]使用先前导出的数学模型，在MATLAB的Simulink控制系统本身实施。为了减少复杂性的实现中，控制器被细分成子控制器：高度，的x，y，航向，俯仰和滚转。在这些子控制器被认为是因为在小角度近似解耦。唯一的例外是，在x控制器驱动辊控制器而Y控制器驱动变桨控制器。如图9所示的控制系统图。每个子系统的实施，与异常的标题中的控制器，它被实现为一个PD控制器为PID控制器，因为它是唯一的标题速度必须保持为零。这些调节器使用LQR方法与布赖森的规则，提供一个起点，围绕着测试。3.3QuaRC软件QuaRC软件会将输出从MATLAB的Simulink控制器旋翼。该软件是由Quanser的是专有的。图6高度控制响应图7Y控制器的响应图8X控制器的响应

四验证和结果自动驾驶的功能和苍蝇使用OptiTrack摄像机提供飞机X，Y，z坐标的。的偏航，俯仰和滚动角约在xy平面中所提供由板载陀螺仪。此配置只需要一个反射球的的OptiTrack系统生成位置数据和GPS位置饲料，这提供了一个更好的模拟。4.1高度控制响应高度控制器有56厘米的位置偏移。这个偏移是由于保护圆顶的顶部的反射球的位置，是从反射到地面的距离等于。图图6反映的实际和给飞机调整高度命令。的性能数据还没有被调整。第二滞后之间的高度命令的应用程序的初始响应是由于电机来打开和产生升力推力所花费的时间。为0.4米的上升时间，一旦已经达到，升降机的推力是5.83秒，小于1％的过冲。当应用减低高度19厘米，响应时间是1.67秒，与9.5％的过冲。9.5％冲值误导，在这种情况下，因为实际的误差只有1.75厘米，同时变化的y坐标。经历了33.3秒和48.1秒的干扰，在y位置变化的结果。因为跟踪球保护圆顶的顶点，固定的的OptiTrack高度读数经历瞬态干扰飞机的身体变化相对于XY平面的方向。4.2X和Y的控制响应x和y位置响应包括的x和y的控制器和控制器的俯仰和侧滚。俯仰和滚转控制器是相同的，x和y的控制器是相同的，除了它们的输出在符号相反。图图7示出的y控制器的位置指令的变化的响应。不同的高度控制器，输入命令进行平滑处理，通过应用一阶延迟。所施加的延迟，用于翻译的小角度假设的物理飞机。大扰动在9.5秒内看到的结果，飞机校正其位置对齐的起源在起飞加上受力起飞滋扰。一米的位置的变化在34秒内施加在一个9.68厘米的超调量（9.68％）。130厘米的变化导致了14.5厘米（11.2％）的过冲。30厘米的高度变化，申请在48.1秒冲在4.8厘米（16.1％）。这存在很大的误差，因为飞机是不是由于高度的变化，一直在44.7秒内输入所需的y位置。图8包含飞行X控制器响应。在9秒内看到的主要干扰所造成的初始高度变化在7.2厘米的位置偏离而导致的。第二个主要的干扰为48.1秒加上恢复高和结果在6.67厘米的偏差的变化在y方向上的位置变化的结果。五今后的工作有研究表明，群体的无人机，一起工作时，往往表现出类似的行为蜂房。在加拿大皇家军事学院（RMC）计划使用的旋翼自动驾驶仪程序进行研究，在多个无人机经营人士的行为。这项研究将包括几个项目，将根据对一致行动来完成特定的任务自主小型无人机的部署组。自动驾驶程序将RMC进行未来的研究有直接的影响。对于这个项目，今后的工作将重点放在调整收益的控制系统，以便在一个模块中的位置，以尽量减少损失，由于其他模块的驱动，并尽量减少在每个方向上的飞机所经历的过冲。在未来的迭代控制器，原点的飞机将在起飞调整，以反映当前的位置，而不是一个预定义的位置，以尽量减少在xy平面上的运动。

六结论本文提出了应用系统工程方法为QballX4四旋翼无人机自动驾驶仪的设计。PID控制器，调整，通过LQR并布赖森的规则，无人机控制系统的基础。MATLAB的Simulink是用在连同QuaRC软件，以允许快速的自动驾驶仪的实施和测试使用反馈，OptiTrack摄像机阵列。图9系统图致谢这项研究是支持的，一部分由DRDCValcartier主任适航工程技术和支持6。

参考文献[1]Mian,AshfaqAhmad,王道波。“动态建模和非线性控制策略的欠驱动四转旋翼机。”浙江大学，2008：539～545。[2]李路明，王立鼎，MEMS研究的新发展——微型系统及其发展应用的研究，光学精密工程，1997，5(1)：67～73[3]黄志洵，王晓金，微波传输线理论与使用技术，科学出版社，2003：79～258[4]刘易斯，布里特，国防部新闻，2009年8月，文章，二零一二年二月九日。[5]LE蒙特利尔杂志。乐杂志蒙特利尔。2012年1月30日。在线报纸。2012年2月9日[6]自然点，（2011），V100：R2，检索2012年2月10日，从OptiTrack/OptiTrack/products/v100-r2/基于C8051F单片机直流电动机反馈控制系统的设计与研究基于单片机的嵌入式Web服务器的研究MOTOROLA单片机MC68HC（8）05PV8/A内嵌EEPROM的工艺和制程方法及对良率的影响研究基于模糊控制的电阻钎焊单片机温度控制系统的研制基于MCS-51系列单片机的通用控制模块的研究基于单片机实现的供暖系统最佳启停自校正（STR）调节器单片机控制的二级倒立摆系统的研究基于增强型51系列单片机的TCP/IP协议栈的实现基于单片机的蓄电池自动监测系统基于32位嵌入式单片机系统的图像采集与处理技术的研究基于单片机的作物营养诊断专家系统的研究基于单片机的交流伺服电机运动控制系统研究与开发基于单片机的泵管内壁硬度测试仪的研制基于单片机的自动找平控制系统研究基于C8051F040单片机的嵌入式系统开发基于单片机的液压动力系统状态监测仪开发模糊Smith智能控制方法的研究及其单片机实现一种基于单片机的轴快流CO〈,2〉激光器的手持控制面板的研制基于双单片机冲床数控系统的研究基于CYGNAL单片机的在线间歇式浊度仪的研制基于单片机的喷油泵试验台控制器的研制基于单片机的软起动器的研究和设计基于单片机控制的高速快走丝电火花线切割机床短循环走丝方式研究基于单片机的机电产品控制系统开发基于PIC单片机的智能手机充电器基于单片机的实时内核设计及其应用研究基于单片机的远程抄表系统的设计与研究基于单片机的烟气二氧化硫浓度检测仪的研制基于微型光谱仪的单片机系统单片机系统软件构件开发的技术研究基于单片机的液体点滴速度自动检测仪的研制基于单片机系统的多功能温度测量仪的研制基于PIC单片机的电能采集终端的设计和应用基于单片机的光纤光栅解调仪的研制气压式线性摩擦焊机单片机控制系统的研制基于单片机的数字磁通门传感器基于单片机的旋转变压器-数字转换器的研究基于单片机的光纤Bragg光栅解调系统的研究单片机控制的便携式多功能乳腺治疗仪的研制基于C8051F020单片机的多生理信号检测仪基于单片机的电机运动控制系统设计Pico专用单片机核的可测性设计研究基于MCS-51单片机的热量计基于双单片机的智能遥测微型气象站MCS-51单片机构建机器人的实践研究基于单片机的轮轨力检测基于单片机的GPS定位仪的研究与实现基于单片机的电液伺服控制系统用于单片机系统的MMC卡文件系统研制基于单片机的时控和计数系统性能优化的研究基于单片机和CPLD的粗光栅位移测量系统研究单片机控制的后备式方波UPS提升高职学生单片机应用能力的探究基于单片机控制的自动低频减载装置研究基于单片机控制的水下焊接电源的研究基于单片机的多通道数据采集系统基于uPSD3234单片机的氚表面污染测量仪的研制基于单片机的红外测油仪的研究96系列单片机仿真器研究与设计基于单片机的单晶金刚石刀具刃磨设备的数控改造基于单片机的温度智能控制系统的设计与实现基于MSP430单片机的电梯门机控制器的研制基于单片机的气体测漏仪的研究基于三菱M16C/6N系列单片机的CAN/USB协议转换器基于单片机和DSP的变压器油色谱在线监测技术研究基于单片机的膛壁温度报警系统设计基于AVR单片机的低压无功补偿控制器的设计基于单片机船舶电力推进电机监测系统基于单片机网络的振动信号的采集系统基于单片机的大容量数据存储技术的应用研究基于单片机的叠图机研究与教学方法实践基于单片机嵌入式Web服务器技术的研究及实现基于AT89S52单片机的通用数据采集系统基于单片机的多道脉冲幅度分析仪研究机器人旋转电弧传感角焊缝跟踪单片机控制系统基于单片机的控制系统在PLC虚拟教学实验中的应用研究基于单片机系统的网络通信研究与应用基于PIC16F877单片机的莫尔斯码自动译码系统设计与研究基于单片机的模糊控制器在工业电阻炉上的应用研究基于双单片机冲床数控系统的研究与开发基于Cygnal单片机的μC/OS-Ⅱ的研究基于单片机的一体化智能差示扫描量热仪系统研究基于TCP/IP协议的单片机与Internet互联的研究与实现变频调速液压电梯单片机控制器的研究基于单片机γ-免疫计数器自动换样功能的研究与实现基于单片机的倒立摆控制系统设计与实现单片机嵌入式以太网防盗报警系统基于51单片机的嵌入式Internet系统的设计与实现单片机监测系统在挤压机上的应用MSP430单片机在智能水表系统上的研究与应用基于单片机的嵌入式系统中TCP/IP协议栈的实现与应用单片机在高楼恒压供水系统中的应用基于ATmega16单片机的流量控制器的开发基于MSP430单片机的远程抄表系统及智能网络水表的设计基于MSP430单片机具有数据存储与回放功能的嵌入式电子血压计的设计基于单片机的氨分解率检测系统的研究与开发锅炉的单片机控制系统基于单片机控制的电磁振动式播种控制系统的设计基于单片机技术的WD