四旋翼無人飛行器控制技術1

1、四旋翼無人飛行器控制技術,邱麗qiuli@szu.edu.cn,四旋翼無人飛行器控制技術,1、自動控制系統(tǒng)的預備知識2、四旋翼飛行器概述3、飛行原理4、四軸飛行器組成5、控制方法,在沒有人直接參與的情況下，利用外加的設備或裝置（稱為控制裝置或控制器），使機器、設備或生產過程（通稱被控對象）的某個工作狀態(tài)或參數(shù)（即被控量）自動地按照預定的規(guī)律運行。,自動控制,1、自動控制系統(tǒng)的預備知識,自數(shù)控機床、室內溫度控制、機車、船舶及飛機

2、自動駕駛、導彈制導等等。,應用領域,1、自動控制系統(tǒng)的預備知識,人工控制恒溫箱過程,★ 觀察恒溫箱內的溫度（被控制量）★ 與要求的溫度（給定值）進行比較。得到溫度偏差的大小和方向★ 根據(jù)偏差大小和方向調節(jié)調壓器，控制加熱電阻絲的電流以調節(jié)溫度回復到要求值。,人工控制恒溫箱調節(jié)過程,人工控制過程的實質,★ 檢測偏差再糾正偏差,人工控制恒溫箱系統(tǒng)功能框圖,恒溫箱自動控制系統(tǒng)框圖,恒溫箱自動控制系統(tǒng)工作原理,恒溫箱實際溫度由熱電偶轉換為對

3、應的電壓u2恒溫箱期望溫度由電壓u1給定，并與實際溫度u2比較得到溫度偏差信號△u=u1-u2溫度偏差信號經電壓、功率放大后，用以驅動執(zhí)行電機，并通過傳動機構拖動調壓器動觸頭。當溫度偏高時，動觸頭向減小電流的方向運動，反之加大電流，直到溫度達到給定值為止，此時，偏差△u=0，電機停止轉動。,恒溫箱自動控制系統(tǒng)功能框圖,從恒溫箱控制系統(tǒng)功能框圖可見,給定量位于系統(tǒng)的輸入端，稱為系統(tǒng)輸入量。也稱為參考輸入量（信號）被控量位于系統(tǒng)的輸出

4、端，稱為系統(tǒng)輸出量。輸出量（全部或一部分）通過測量裝置返回系統(tǒng)的輸入端，使之與輸入量進行比較，產生偏差（給定信號與返回的輸出信號之差）信號。輸出量的返回過程稱為反饋。返回的全部或部分輸出信號稱為反饋信號。,控制系統(tǒng)的工作原理,檢測輸出量（被控制量）的實際值將輸出量的實際值與給定值（輸入量）進行比較得出偏差；用偏差值產生控制調節(jié)作用去消除偏差，使得輸出量維持期望的輸出,由于存在輸出量反饋，上述系統(tǒng)能在存在無法預計擾動的情況下，自動減

5、少系統(tǒng)的輸出量參與輸入量（或者任意變化的希望的狀態(tài)）之間的偏差，故稱之為反饋控制顯然：反饋控制建立在偏差基礎上，其控制方式是“檢測偏差再糾正偏差”,這種基于反饋原理，能對輸出量與參考輸入量進行比較，并力圖保持兩者之間既定關系的系統(tǒng)。稱為反饋控制系統(tǒng)，反饋控制系統(tǒng)具有量測、比較和執(zhí)行三個基本功能,注意,反饋控制系統(tǒng)中，反饋信號是與給定信號相減，使偏差越來越小，稱為負反饋。負反饋控制是實際自動控制最基本的方法。,閉環(huán)控制系統(tǒng)：按偏差進行控

6、制，較高的動靜態(tài)控制性能；結構、線路復雜，系統(tǒng)分析與設計較復雜。開環(huán)控制系統(tǒng)（順序控制）：系統(tǒng)輸出量對系統(tǒng)的輸入量不產生影響，結構簡單、調整方便、成本低,自動控制系統(tǒng)的基本形式（根據(jù)有無反饋）,優(yōu)勢,垂直起降懸停、倒飛、側飛能力螺旋槳小，飛行安全結構簡單，控制靈活,四旋翼結構圖,2、四旋翼飛行器概述,用途,國際四旋翼無人直升機研究方向,基于慣性導航的自主飛行控制基于視覺導航的自主飛行控制多智能體群控制,3、四旋翼飛

7、行原理（以MK為例）,四軸飛行器有四個電機呈十字形排開，驅動四片槳旋轉產生推力。四電機距幾何中心距離相等，對角兩軸產生升力相同時保證力矩平衡 四電機一對正轉，一對反轉使得豎直軸方向旋轉的反扭矩平衡，保證四軸航向的穩(wěn)定。,3、四旋翼飛行原理（以MK為例）,Mk規(guī)定四軸電機的排布方式如圖示：前（1號）、后（2號）、右（3號）、左（4號）。1,2號電機順時針方向旋轉，3,4號電機逆時針旋轉。四個電機的轉速做相應的變化即可實現(xiàn)四軸 橫向

8、、縱向、豎直方向和偏航方向上的運動。,3、四旋翼飛行原理（前方運動）,前方運動：3,4號電機保持轉速不變，1號電機轉速下降，2號電機轉速上升，此時2號電機產生的升力大于1號電機的升力，四軸沿幾何中心向前傾轉，槳葉升力沿縱向的分力驅動四軸向前運動。,3、四旋翼飛行原理（左轉）,轉左：1,2號電機保持轉速上升，3,4號電機轉速下降，使向左的反扭矩大于向右的反扭矩，四軸在反扭矩的作用下向左旋轉。,3、四旋翼飛行原理（左轉）,四個槳產生的推力，

9、超過或者低于四軸本身重力的時候能夠實現(xiàn)豎直方向上升與下降的運動，當槳的升力與四軸本身的重力相等的時候即實現(xiàn)懸停。,4、MK版四軸飛行器組成,一個飛控板，四個無刷電機電調、四個無刷電機、一對正槳，一對反槳，一個機身，一塊鋰電（3~4節(jié)），一套大于等于4通道的遙控器和接收機,5、控制方法,四旋翼無人飛行器控制系統(tǒng)簡圖,關鍵技術,最優(yōu)化總體設計 設計原則：重量輕、尺寸小、速度快、能耗低動力與能源 提高動力裝置效率，采用高效能

10、源數(shù)學模型的建立飛行控制 研制可以精確控制飛行器姿態(tài)，并且具有抗干擾能力強和環(huán)境自適應能力強的姿態(tài)控制器定位、導航與通信 開發(fā)精確的定位與導航技術，保證通信鏈技術具有可靠性、安全性和抗干擾性,器件,全部器件 支架 電機 電子調速器,螺旋槳 電子羅盤