六旋翼無人機(jī)控制技術(shù)概述

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1、六旋翼無人機(jī)控制技術(shù)概述1緒論1.1課題研究背景及意義近一個(gè)世紀(jì)以來，無人機(jī)以其低損耗、零傷亡、高機(jī)動性等優(yōu)勢，在軍事、民用和科學(xué)研究三大領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用，比如在軍事上可用于監(jiān)控，火力打擊；在民用上，可以用于電網(wǎng)巡視，城市環(huán)境觀測；在科學(xué)研究上，可用于對生化污染區(qū)域的取樣。無人直升機(jī)具備垂直升降、懸停等靈活飛行性能優(yōu)勢，因此在某些環(huán)境下比固定翼無人機(jī)具有更好的適用性。20世紀(jì)50年代以來，對無人直升機(jī)的性能要求不斷提升，這些需求促使許多種類的無人直升機(jī)問世，比如DraganflerVTI四旋翼無人直升機(jī)和新型MikrokopteHex

2、a2六旋翼無人直升機(jī)。四旋翼無人直升機(jī)是一種具有四個(gè)旋翼的飛行器，其四個(gè)旋翼呈十字交叉分布。與單旋翼直升機(jī)相比，其旋翼較小，降低了旋翼碰撞周圍物體造成事故的可能性，使飛行更加安全[21。但是若當(dāng)四旋翼直升機(jī)遇到惡劣環(huán)境，一個(gè)或多個(gè)旋翼受到擾動時(shí)，其穩(wěn)定性將受到很大挑戰(zhàn)。六旋翼無人直升機(jī)與四旋翼無人直升機(jī)類似，是一種六自由度的垂直起降飛行器，六個(gè)螺旋槳呈六邊形頂點(diǎn)位置分布，六個(gè)螺旋槳速度作為六個(gè)輸入力，六個(gè)自由度的位置作為輸出。六旋翼無人直升機(jī)的六個(gè)螺旋槳的旋轉(zhuǎn)方向不盡相同，通過改變螺旋槳的速度來改變無人直升機(jī)的姿態(tài)和位置。六旋翼無人直升

3、機(jī)與四旋翼無人直升機(jī)相比，多出兩個(gè)冗余的旋翼，當(dāng)遇到較強(qiáng)外力干擾或者部分旋翼受擾動時(shí)能表現(xiàn)出較好的穩(wěn)定性和跟蹤性。六旋翼無人直升機(jī)控制系統(tǒng)是保證其穩(wěn)定性能的關(guān)鍵，因此對六旋翼無人直升機(jī)控制系統(tǒng)的研究尤為重要。六旋翼無人直升機(jī)將更加適用于在危險(xiǎn)和惡劣的環(huán)境下工作。在軍事和民用領(lǐng)域都將具有廣闊的應(yīng)用前景。如今，它以成為新的受關(guān)注的研究方向。這種關(guān)注既來自于應(yīng)用需求的帶動，也源于這項(xiàng)技術(shù)的挑戰(zhàn)性。本文就以六旋翼無人直升機(jī)為研究對象。...........1.2六旋翼無人直升機(jī)國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀六旋翼無人直升機(jī)是四旋翼無人直升機(jī)的改進(jìn)產(chǎn)品。其概念可

4、以追溯到20世紀(jì)中葉較為流行的外形如飛碟的蝶形飛行器列如美國的Cypher、加拿大的CL-327。六旋翼無人直升機(jī)就是蝶形飛行器的一種。六旋翼無人直升機(jī)是近幾年才出現(xiàn)的四旋翼無人直升機(jī)的延續(xù)產(chǎn)品。關(guān)于四旋翼無人直升機(jī)，早在1907年法國的breguet兄弟就制造了他們的第一架四旋翼直升機(jī)breguet-richet旋翼機(jī)1號。此后在1921年、1924年和1956年相繼出現(xiàn)了DeBothezat四旋翼直升機(jī)，Oemichen四旋翼直升機(jī)和Converta等人在文獻(xiàn)[13]中介紹了變結(jié)構(gòu)控制在飛行器控制中的運(yùn)用；全狀態(tài)反推法(Backst

5、印ping)也常被運(yùn)用在多旋翼無人直升機(jī)控制中，Sanca和Longhi學(xué)者分別在在文獻(xiàn)[14]和文獻(xiàn)[15]中介紹了全狀態(tài)反推法在四旋翼無人直升機(jī)飛行控制中的運(yùn)用和仿真測試結(jié)果。2六旋翼無人直升機(jī)模型分析2.1六旋翼無人直升機(jī)結(jié)構(gòu)分析本章研究了六旋翼無人直升機(jī)結(jié)構(gòu)和飛行動態(tài)特性，并對作用在無人直升機(jī)上的力和力矩做了分析。運(yùn)用了Neulink的環(huán)境下完成的，控制對象為在第二章中介紹的六旋翼無人直升機(jī)非線性動態(tài)模型（式（2.17))。MatlabSimiiHnk環(huán)境下，飛行控制系統(tǒng)的仿真參考了文獻(xiàn)[33][34]。本章節(jié)首先仿真了姿態(tài)角

6、控制，比較了PI控制器與LQ控制器的控制結(jié)果。然后仿真了高度位置Z伺服控制和平面位置（x,y)伺服控制。最后仿真了六旋翼無人直升機(jī)在不同環(huán)境下的飛行軌跡，驗(yàn)證控制系統(tǒng)的控制有效性。本章節(jié)首先分別仿真了姿態(tài)控制系統(tǒng)、高度位置控制系統(tǒng)和平面位置控制系統(tǒng)這3個(gè)子系統(tǒng)的控制結(jié)果。通過仿真驗(yàn)證了上述3個(gè)子系統(tǒng)在無擾動環(huán)境下、擾動環(huán)境下以及模型參數(shù)波動環(huán)境下的控制有效性。然后三維仿真了六旋翼無人直升機(jī)在不同環(huán)境下的飛行軌跡，滿意的仿真結(jié)果驗(yàn)證了飛行控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的有效性，表明此六旋翼無人直升機(jī)控制系統(tǒng)具有良好的私服指令跟蹤性和穩(wěn)定性。結(jié)論六旋翼無人直

7、升機(jī)在民用、軍事和科學(xué)研究方面都具有一定的應(yīng)用前景，其模型建立和飛行控制涉及多個(gè)學(xué)科的內(nèi)容。本文從分析六旋翼無人直升機(jī)動力學(xué)特性開始，建立無人直升機(jī)數(shù)學(xué)模型，并設(shè)計(jì)了無人直升機(jī)的飛行控制律。研究結(jié)果對六旋翼無人直升機(jī)飛行控制的進(jìn)一步研究具有一定的理論和實(shí)際意義。根據(jù)以上章節(jié)，本文主要做了以下工作：(1)介紹了六旋翼無人直升機(jī)的歷史概況和國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀。(2)建立了六旋翼無人直升機(jī)的數(shù)學(xué)模型。在參考國內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，對六旋翼無人直升機(jī)剛體動力學(xué)和旋翼空氣動力學(xué)做了分析研究，推導(dǎo)了該無人直升機(jī)非線性動力學(xué)模型。并且通過合理假設(shè)，簡化了

8、其動力學(xué)模型。(3)研究設(shè)計(jì)了六旋翼無人直升機(jī)的飛行控制律。首先分別釆用了PI控制方法和LQ控制方法設(shè)計(jì)了該無人直升機(jī)姿態(tài)角控制律，然后運(yùn)用了PID與動態(tài)逆相結(jié)合的方法設(shè)計(jì)了其高度位置控制律，最后運(yùn)用魯棒P