多旋翼无人机远程控制实践 课件 ch01

绪论多旋翼无人机远程控制实践第1章01什么是多旋翼常见飞机分类固体翼飞行器直升机多旋翼1)固定翼飞行器如图1.2(a)所示，固定翼飞行器的机翼位置和后掠角等参数基本固定不变，民航飞机和战斗机大多数都是固定翼飞行器。它们通常由推力系统产生前向的空速，进而通过机翼产生升力来平衡飞行器的重力。基于这个原理，固定翼飞行器需要保持一定的前飞速度，因此很难垂直起降。与传统的直升机相比，固定翼飞行器的优点是结构简单、载荷更大、飞行距离更长而耗能更少，缺点是起飞和降落的时候一般需要跑道或弹射器。常见飞机分类2)直升机如图1.2(b)所示，直升机是一种由旋翼直接提供升力的旋翼飞行器。直升机有四个控制输入，分别是周期变距杆、总距操纵杆、航向和油门。总距操纵杆控制旋翼的迎角(或攻角)。直升机的升力主要由总距操纵杆和油门控制，姿态由周期变距杆控制。由前面的介绍可知，直升机可以垂直起降，无须跑道或弹射器。与固定翼飞行器相比，直升机的续航时间更短，而且复杂的机械结构会带来很高的维护成本。常见飞机分类3)多旋翼(Multicopter，Multirotor或Multirocopter)多旋翼可以视为一类有三个或者更多螺旋桨的直升机，也具备垂直起降能力，最常见的是四旋翼，如图1.2(c)所示。与直升机不同的是，多旋翼通过控制螺旋桨的转速来实现拉力的快速调节。由于多旋翼结构具有对称性，所以螺旋奖之间的反扭矩可以相互抵消。多旋翼的结构非常简单，由此具有各通道之间耦合弱、可靠性高和维护成本低等优势。常见飞机分类无人驾驶飞机和航空模型飞机无人驾驶飞机无人驾驶飞机是由动力驱动、机上无人驾驶的航空器，简称“无人机”(UnmannedAerialVehicle，UAV)，军事或民用领域常见的无人机包括无人直升机、无人飞艇、无人固定翼飞机等。的飞行可以通过机载电脑自动控制，也可以由地面或其他平台上的操纵人员(有时也称为驾驶员)远程控制。英文中有时也用“Drones”来表示无人机。本书中主要考虑微小型无人机。无人驾驶飞机和航空模型飞机航空模型航空模型在后文中简称“航模”，有时也称为“遥控飞行器”“遥控模型”。航模是一种有尺寸限制的、带有或不带有发动机的、不能载人的飞行器，可以用于空中比赛.运动或者娱乐”。它也指无线控制航模或者无线控制飞行器。在整个飞行过程中，它必须位于飞行器操纵人员的视距内。无人驾驶飞机和航空模型飞机航空模型从广义的角度来讲，“无人机”可以认为是一个一般化的称谓，无人驾驶的飞行器都可以称为“无人机”，但“无人机”与“航模”之间也有一定的区别，具体总结如表1.1所示。02为什么选择多旋翼1、多旋翼除了能够由自驾仪自主控制飞行，还能由操作员通过地面站或者遥控器(对应于信息与通信工程学科)进行远程控制。2、多旋翼本身涉及很多电子设备(对应于电子科学与技术学科)。我们希望电子电路稳定可靠，不受外界电磁辐射影响。3、多旋翼系统需要软件环境来运行控制算法(对应于计算机科学与技术学科)，般需要实时操作系统来提供软件运行环境并提供与机载硬件通信的接口。为什么选择多旋翼4、在多旋翼设计上，需要考虑材料、布局和结构(对应于力学、机械工程学科),还要考虑动力系统选型(对应于力学、电气工程学科)等。5、在状态估计上需要考虑多个传感器(如GPS、光电传感器等)信号不同步、数据延迟以等问题，最终鲁棒且高性能地估计相应状态(对应于仪器科学与技术学科)。6、多旋翼作为一个典型的闭环控制系统(对应于控制科学与工程学科)，具有很多有趣的特性，例如它是一个不稳定、非线性、欠驱动和执行器控制量受限系统。为什么选择多旋翼为什么选择多旋翼7、多旋翼价格便宜，飞行实验简单，可以较为容易地得到大量相关飞行数据，这也为多旋翼的健康评估提供了较好的基础条件。多旋翼的上述特点可以为相应学科方法测试提供看得见摸得着的实践，特别是控制方面的实践。无论从教育还是科研的角度来看，多旋翼系统都是一个非常好的研究对象。传统飞行器开发主要集中在航空航天院所，人力、财力、经验与资源都比较充裕。为什么选择多旋翼在开放的市场以及日益激烈的竞争环境下，相关创业公司面临人员少、一肩挑、经验少和资源少等问题。这就要求核心工程师团队能够同时掌握：机架的布局和结构设计、动力系统设计、健康评估和失效保护设计等理论知识，同时需要具备丰富的操作系统开发、软件编写调试以及实飞实验等实践经验。多旋翼这个平台可以培养工业界需要的跨专业复合型人才，提升其软件开发能力、分析能力、算法设计能力、管理能力以及展示能力。03本书内容简介实验二：滤波器设计具体实验实验四：路径跟随控制器设计实验一：系统辨识实验三：跟踪控制器设计实验五：避障控制器设计本书内容简介01020304打开例程，阅读并运行程序代码，然后观察并记录分析数据。基础实验在上述两个实验的基础上，针对给定的任务，进行独立设计。设计实验指导读者修改例程，运行修改后的程序并收集和分析数据。分析实验在设计实验的基础上，针对给定的任务，进行独立设计并运用于真实的多旋翼。实飞实验本书内容简介本书内容简介仿真阶段总得来说，实验可以划分为两个阶段：仿真阶段和实飞阶段。仿真阶段需要经历“仿真1.0→仿真2.0→硬件在环仿真”。仿真1.0采用的多旋翼模型是设计模型，而仿真2.0使用的是一个高保真的非线性模型。通过“系统辨识”实验，对仿真2.0使用的高保真非线性模型进行系统辨识，可以得到传递函数模型，也称为设计模型。本书内容简介实飞阶段实飞阶段需要经历“仿真1.0→实飞实验”。仿真1.0采用对真实多旋翼进行“系统辨识”实验得到的设计模型，而实飞实验是在真实多旋翼上进行的。在每个实验设计完成后，需要在MATLAB/Simulink中实现，并在搭建好的设计模型仿真平台中进行仿真测试。之后，读者需要将通过仿真测试的控制器，应用于真实的多旋翼。04工程教育认证标准覆盖介绍多旋翼设计和控制属于复杂工程问题，它完全覆盖工程教育认证标准所有内容,下面选择主要的几点进行说明。(1)工程知识。多旋翼各类需求的建模以及滤波、控制和决策算法设计可以体现“能够将数学、自然科学、工程基础和专业知识用于解决复杂工程问题”。(2)问题分析。多旋翼建模和算法设计以及调试可以体现“能够应用数学、自然科学和工程科学的基本原理，识别、表达、并通过文献研究分析复杂工程问题，以获得有效结论”。工程教育认证标准覆盖介绍(3)设计/开发解决方案。多旋翼整个系统设计以及测试飞行可以体现“将能够设计针对复杂工程问题的解决方案，设计满足特定需求的系统、单元(部件)或工艺流程”因为多旋翼具有危险性，需要使用者遵守相关法律法规，进行合法测试和飞行，可以体现“并能够在设计环节中体现创新意识，考虑社会、健康、安全、法律、文化以及环境等因素”工程教育认证标准覆盖介绍(4)研究。多旋翼建模和算法设计可以体现“能够基于科学原理并采用科学方法对复杂工程问题进行研究，包括设计实验、分析与解释数据，并通过信息综合得到合理有效的结论”。(5)使用现代工具。在多旋翼系统开发过程中，需要很多工具，这可以体现“能够针对复杂工程问题，开发、选择与使用恰当的技术、资源、现代工程工具和信息技术工具，包括对复杂工程问题的预测与模拟并能够理解其局限性”。工程教育认证标准覆盖介绍工程教育认证标准覆盖介绍(6)工程与社会。需要设计者有一定的创新能力，挖掘多旋翼的应用场景。这能体现“能够基于工程相关背景知识进行合理分析，评价专业工程实践和复杂工程问题解决方案对社会、健康、安全、法律以及文化的影响，并理解应承担的责任”。工程教育认证标准覆盖介绍(7