四旋翼无人直升机飞行控制系统的研究与设计

南京理工大学

硕士学位论文

四旋翼无人直升机飞行控制系统的研究与设计

姓名：何环飞

申请学位级别：硕士

专业：控制理论与控制工程

指导教师：陈庆伟

20090608

摘要

四旋翼无人直升机由于其飞行控制相对容易，安全性也得到了较大的改善，越来越受到研究人员的关注。而四旋翼无人直升机的飞行控制系统是四旋翼无人直升机至关重要的组成部分，它决定了四旋翼无人直升机飞行性能的优劣。

本课题围绕四旋翼无人直升机的自主飞行控制问题，以遥控航模为飞行平台，设计飞行控制系统的总体方案，建立其动力学数学模型；在此基础上，完成了以ＴＭＳ３２０Ｆ２８１２为核心的飞行控制系统的软硬件设计，包括器件选型、硬件电路设计、模块化软件设计，并做了大量调试工作，基本解决了设计中存在的问题。同时初步研究了四旋翼无人直升机自主飞行控制方案的设计，为以后执行更复杂的任务例如定点飞行、避障和多机协调飞行等打下一定的基础。

建立完善的四旋翼无人直升机飞行控制系统平台，将有助于进一步拓展对四旋翼无人直升机飞行导航、控制算法和控制系统开发等方面的研究，为未来进一步研究开发满足不同条件的新型的多用途无人机打下坚实的基础。

关键词：四旋翼无人直升机，自主飞行；飞行控制系统，数学模型，数字信号处理器

硕士论文

Ａｂｓｔｒａｃｔ

Ｂｅｃａｕｓｅｔｈｅｆｌｉｇｈｔｃｏｎｔｒｏｌｏｆｆｏｕｒ－ｒｏｔｏｒｕｎｍａｎｎｅｄｒｅｌａｔｉｖｅｌｙｅａｓｙａｎｄｉｔｓｈｅｌｉｃｏｐｔｅｒｉｓ

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Ｍａｔｈｅｍａｔｉｃａｌｍｏｄｅｌ，ＤｉｇｉｔａｌＳｉｇｎａｌＰｒｏｃｅｓｓｏｒⅡ

声明

本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在本学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学历而使用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均已在论文中作了明确的说明。

研究生签名：么互塑：查砷年∥膨ｐ日

学位论文使用授权声明

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研究生签名：么蜀堡２：鱼ｙ叼年／月为日

１绪论

１．１课题背景

无人机（ＵＡｖ，ＵｎｍａｎｎｅｄＡｅｒｉａｌＶｅｈｉｃｌｅ）是一种无人驾驶、可重复使用的航空器的简称。在错综复杂和有未知危险的环境中，无人机作为人类的先遣军将去执行一些不适合人完成的任务，例如近距离对敌方进行侦察，复杂混乱条件下的电子对抗，深入灾难现场进行抢险救灾等。无人机的发展历史可以追溯到２０世纪初，英国于１９１７年研制成功了世界上第一架无人机。在２０世纪７０年代以前，由于受技术水平的限制，无人机发展缓慢，大多用做靶机【１１。近３０年来，随着微电子、通信、材料及推进系统等技术的迅猛发展，无人机得到了长足的进步，加上无人机在２０世纪９０年代以来几场局部战争中的成功战例，世界各国开始重视无人机的研究与发展。据不完全统计，目前，世界上３０余个国家和地区已研制出了５０多种无人机，无人机型号超过３００余种，有５５个国家装备了无人机，但发展最快、水平最高的主要是美国和以色列。

与载人飞机相比，无人机具有许多优点【２】。

首先，设计自由度大。在设计上无人机没有驾驶舱及相关的救生设备，除降低了飞机的重量和成本外，还大大放宽了飞机设计的一些限制，如飞机发动机的位置可以更加合理。由于不考虑人的因素，飞机的机动载荷因数可以更高，可以采用更先进的气动布局、结构设计。

其次是成本低。在设计制造上无需复杂的机体和种类繁多的各种机载设备，只需一些必要的传感器。而且使用和维护费用低，操纵人员培训相对简单。与常规飞机相比，使用维护成本可节约达５０％之多。

第三，无人机可以执行一些对于有人驾驶飞机来说非常危险的任务。

第四，无人机的突防能力较强，生存力高。

发展至今，无人机技术已经比较成熟并且正朝着多元化路线发展，固定翼无人机和单桨直升机是最常见的无人机，占据绝大部分市场份额。文献【３】针对基于不同飞行原理的飞行器作了一些对比。固定翼飞机在可控性、最大有效载荷和机动性方面略具优势；直升机在固定飞行、慢速飞行、垂直起降和室内飞行方面有明显的优势。直升机是最复杂的飞行器之一，它的复杂性在于它的多功能性和灵活性以用来完成各种不同的任务。传统的直升机按照常理都装备有一个主桨和一个尾桨。另外，其他存在的直升机类型包括两侧成对旋翼或者一前一后两个旋翼直升机和共轴双旋翼直升机。本文特别关注一种四旋翼的迷你飞行器，这种飞行器也被称为四方旋翼飞行器。

四旋翼飞行器并不是一种新式的结构，早在１９２２年它就闯世了。１９２１年１月，

绪论顼士论文美国空军与Ｄｒ．Ｇｅｏｒｇｅ如Ｂｏｔｈｅｚａｔ和ＩｖａｎＪｅｒｏｍｅ签定了一份发展垂直飞行的机器的合同。这个１５７８虹Ｘ结构的庞然大物是由位于９ｍ臂粱末端的直径８１Ｉｎ的六桨叶的旋翼支持的（见图１１１）。在每个侧臂的末端有两个可以任意倾斜的小推进器，用来控制前进和偏航。首飞于１９２２年１０月成功举行，虽然只能达到５ｍ的高度，与当初设想的１００ｍ的差距较大．但毕竟是飞行史上的一大跨越。ＤｅＢｏｔｈｅｚａｔ论证道：他的设计能够非常稳定，而且如果应用到实际上去，理论上可行。

图ｌ＿１．１Ｂｏｔｈｅｚａｔ的四旋翼飞行嚣

自从第一架四旋翼飞行器成功升空后，对这个长着四个手臂的怪家伙的研究一直方必未艾。由于四旋翼无人机模型便宜且在校园这种环境里也能安全地进行飞行测试，所以航空界和控制界都对它的设计产生了浓厚的兴趣。和普通直升机依靠改变主旋翼和尾翼的倾斜度和转速来实现飞行不同的是，这种飞行器使用四个固定在“ｘ”形框架末端的相互独立的旋翼。所有的运动都是靠单独改变各个旋翼的角速度，即每个旋翼的升力来完成的，优点在于飞行器在三维空间作出任意动作而机身所要作出的相应改变尽可能的少。

这种设计使得四旋翼无人机在许多情况下比普通带尾翼的直升机有更好的选择。首先，它机械结构简单，使得它更便宜和可靠，而且四个旋翼通过剐性框架转化为简单的动力，比较容易控制；第二，有一定强度的碳纤维框架、机身少数的运动部件、并可以安装轻型旋翼的整流罩使得四旋翼无人机相对来说飞行平稳，很少震动：最后，四个旋翼的固有冗余使得万一其中一个螺旋桨或者电机出现故障也有可能紧急降落。由于四旋翼无人机在飞行期间的软碰撞是可以容忍的，使得编队或成群飞行的鲁棒控制也变得比较简单。所有这些优势解释了为何在无人执行而又需要可靠性或鲁棒性的任务中使用这种飞行器引起人们极大的兴趣。这种无人机可在民用、科研、军事等方面得到广泛应用，包括电力线检查、交通控制、警察处理案件时的支援、监视、高空摄影、战场或地形识别、甚至在大气密度充分的时候可以进行自动化行星探测【４ｌ。

鲤主堡塞些墼墨玉△塞』．盟１堑整劁墨丝笪型塞当丝盐１．２国内外研究现状

目前，世界上的四旋翼无人直升机基本上都属于微小型无人飞行器，根据有无人控制可以分两类：遥控和自主飞行。

遥控飞行的典型代表是美国Ｄｒａｇａｎｆｌｙｅｒ公司生产的Ｄｒａｇａｎｆｌｙｅｒ

１．２ＶＴＩ，如图ｌ，它是款世界著名的遥控航模四旋翼飞行器，主要用于航拍。它采用了碳纤维和高性能塑料作为机体材料，机载屯子设备可以控制四个电机的转速。另外，还使用了压电晶体陀螺仪进行姿态增稳控制，使得遥控飞行更加简单、平稳吼

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图１．２２银辉ＭＦ０实物图

在自主飞行领域涉足的最早、研究的最深刻的是Ｍｒｒ（麻省理工学院）航空学院Ｄｒ．ＪｏｎａｔｈｍａＰＨｏｗ领导的研究小组。他们所使用的实验飞机是在ＤｒａｇａｎｆｌｙｅｒＶＴＩ的３

硕士论文

基础上改装而成，如图１．２３，研究的重点是基于视觉的多个ＵＡＶ协同飞行或跟踪并协同其他有人的和无人的车辆或飞机【６】。

图１．２３ＭＩＴ多机协硒飞行图

以研究自主飞行控制律和飞行器结构设计为主的０Ｓ４是瑞士洛桑联邦科技学院（ＥＰＦＬ）开发的一种微小型四旋翼无人直升机，如图１．２４。第一代０Ｓ４在２００４年的时候已经可阻实现在基于多种控制算法（例如：ＰＩＤ、ＬＯ、Ｂａｅｋｓｔｅｐｐｉｎｇ、Ｓｌｉｄｉｎｇ－ｍｏｄｅ）下的飞行姿态的增稳控制；到２００６年，第二代ＯＳ４实现在室内这种环境中基于惯性导航系统的自主悬停控制问。

囤１．２４ＥＰＦＬ的ＯＳ４实物图

斯坦福大学研制的Ｘ４一ｆｌｙｅｒ是在ＤｒａｇａｎｆｌｙｅｒⅢ的基础上改装的，如图１２．５，它自带的机载电子设备完全被一块自行设计的ＰＣＢ所取代，集合了自主飞行时所需要的测量和通信功能。通过第二代蓝牙设备实现飞行数据传达到地面和控制命令发送到飞行器【８】。

幽１．２５斯坦福大学的Ｘ４－ｆｌｙｅ实物图

虽然国际上已经针对四旋翼无人直升机进行了广泛和深入的研究，但在国内，目前对这一方面的研究还仅局限于少数几所高校，处于起步阶段。国防科技大学于２００４年展开了四旋翼无人直升机的相关技术的自主研究，白行设计、制作的实物模型总重量约７５０９，最大长度约７０ｃｍ（翼尖到翼尖），已经实现依靠自身旋翼自主飞行：机身框架由铝管构成，重量轻而且有足够的硬度；继承了Ｄｒａｇａｎｆｌｙｅｒｍ的旋翼、改用瑞士Ｍａｘｏｎ电机；姿态测量传感器有；三个单轴陀螺仪ＥＮＶ－０５Ｇ，双轴加速度计ＡＤＸＬ２０２，三轴电子罗盘ＨＭＲ３３００。到目前为止，基本完成了飞行控制系统硬件的设计和测试，正在加紧进行微惯性测量单元ｍ哪的开发［９１，如图１．２．６。黑

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图１．２．６田防科技大学研制的四旋翼直升机实物圈

南京航空航天大学也自行开发了一套基于ＤＳＰＦ２８１２的四旋翼无人飞行器，在抗扰动方面做得很出色。图１＿２．７展示了其悬停时的飞行姿态。

绪论硕士论文

图Ｉ２Ｊ南京航空航天大学研制的四旋翼飞行器正在做飞行试验黧

１，３本课题的科学意义和应用前景

四旋翼无人直升机是多旋翼式的遥｛空，自主飞行器，一般是电动的，避免了携带太重量的油箱，显著特点是能够垂直起降（ＶＩＯＬ．ＶｅｒｔｉｃａｌＴａｋ（ｈｏｆｆａｎｄＬａｎｄｉｎｇ）。四旋翼飞行器在总体布局上可以归入非共轴式碟形飞行器一类，与单桨直升机相比，飞行原理简单，结构紧凑，单位体积上能够产生更大的升力，并且由于两个对角线的四片旋翼转速相反，可以相互抵消反扭力矩，而不需要专门的尾桨来平衡。

四旋翼无人直升机擅长于在树林、室内、城市和恶劣天气等复杂环境下执行监视和抢险救灾等任务，具有非常广阔的应用前景：同时，它的另一重要研究方向之一就是火星探测无人飞行器：另外，四旋翼无人直升机所表现出的强烈优势吸引着广大科研人员，成为国际上新的研究热点。

１．４本文所做的工作

本文以四旋翼无人直升机的运动控制系统为背景，以四个螺旋桨为控制对象，基于ＤＳＰ设计并制作了具有信号采集及处理和无线通讯接口的飞行嚣控制器。内容涉及数学建模、自动控制理论、电机驱动、传感器技术和计算机技术等学科领域。初步完成了四旋翼无人直升机飞行控制系统的总体方案设计，数学模型的建立，软硬件设计和调试，并进行了相关技术的研究。

本文各章节安排如下：

第一章绪论。首先介绍了无人机的发展历史和存在优势，然后对比得出四旋翼无人直升机的优点和研究意义。针对国内外的研究现状，提出本文的研究方向和目标，简述本文的内容安排。

第二章总体设计。重量轻、尺寸适中、速度较快、续航时间长、能耗和成本低是我们追求的目标，但是完全实现是非常艰难甚至是不可能的，所以根据实际情况综合考虑每个因素以实现总体设计的优化是必须的。６

硕士论文四旋翼无人直升机飞行控制系统的研究与设计

第三章数学模型的建立。四旋翼无人直升机是一个具有六自由度和四个控制输入的欠驱动系统，具有多变量、非线性、强耦合和干扰敏感的特性，使得飞行控制系统的设计变得非常困难。为实现对四旋翼无人直升机的有效控制，首先必须准确建立其在各种飞行状态下的数学模型。但是飞行过程中，它不仅同时受到多种物理效应的作用（空气动力、重力、陀螺效应和旋翼惯量矩等），还很容易受到气流等外部环境的干扰。因此，建立有效、可靠的动力学模型并非易事。

第四章飞行控制系统硬件的设计。在总体方案的框架内，主要研究ＣＰＵ模块、飞行数据采集处理模块、无线通信模块、动力与能源模块等。

第五章飞行控制系统软件的设计。主要研究飞行控制计算机（ＤＳＰ）和各种传感器、通信模块和电机驱动模块间的接口程序的编写与调试，控制过程中应该注意的问题和控制方案的初步设计。

第六章系统调试。总结在调试四旋翼无人直升机飞行控制系统过程中的心得体会。在设计调试过程中发现问题其实并不是坏事，只要及时分析并能解决之，这个问题就会成为我们攻克其他问题的砝码。

最后，本人对自己所做的工作进行总结并对下一步需要继续研究的内容进行了展望。７

２飞行控制系统总体设计硕士论文２飞行控制系统总体设计

２．１引言

飞行控制系统针对不同的飞行器上的应用【３７】嗍，对其系统功能和性能要求也不一样，控制系统的设计方案也各有侧重，故不可完全照搬现有的方案加以实施，必须结合自身特点进行合理地选择和设计。因此，四旋翼无人直升机飞行控制系统总体设计方案的确定成了本文研究的首要内容。本章先从飞行平台的选型入手，并介绍了四旋翼无人直升机飞行控制的特点，重点在于通过四旋翼无人直升机飞行控制系统的基本原理对其飞行控制系统的总体方案的设计。

２．２飞行平台

２．２．１四旋翼直升机选型

在本课题的初始阶段，我曾试着去制作一架全新的微小型四旋翼无人直升机，但被琐碎的结构设计和零部件采购而困扰。后来经过讨论方案的可行性，得出整机改装是一条捷径的结论。整机改装和自己完全组装的优劣分析如下：

（１）买来整机然后改装的话，我们的研究重点就可以放在控制器的设计和改善飞行

品质上面，从而忽略底层结构设计和模型搭建的琐碎问题。这正和我们的研究

要点相吻合；

（２）买配件然后再组装的话，势必花大量时间和精力在结构的设计和零件的选取及

购买等方面，既然已经决定先研究“ｘ＂型四旋翼飞行器，继而再推广到其他更先进的飞行器，就没有必要对已经很成熟的“ｘ＂型四旋翼飞行器的结构和

框架花过多的时间。

通过对比，借鉴了国内外研究结构所用机型基础上选定Ｄｒａｇａｎｆｌｙｅｒ１Ｖ级遥控模型作为飞行平台，如图２．２．１。国外研究较多的机型是ＤｒａｇａｎｆｌｙｅｒＩＶ和Ｄｒａｇａｎｆｌｙｅｒ遥控模型的主要参数如表２．２．１所示。ＶＴＩ（５１，国内国防科技大学研究使用的是ＤｒａｇａｎｆｌｙｅｒⅢ级遥控模型。ＤｒａｇａｎｆｌｙｅｒＩＶ级

８

《

图２．２．１Ｄｌ邳皿蛳Ⅳ级遥控模型

５１３９遥控模型重量（含电池）

重量

有效载重量和海拔高度及电池有关，但一般来说足够携带—个

微型摄像机

机身全长（翼尖到翼尖）

尺寸机身宽

机高

旋冀直径７２０ｒａｍ１８０ｎ皿２８０ｒａｍ

飞行时间无线控制１６－２０分钟

系留电线

动力电池供电无限时向四电机驱动

因为Ｄｒａｇａａｆｌｙｅｒ价格昂贵，而且不是国产，受产品市场定位的影响，在国内比较难买到，目前研究使用的是一种国产的四旋翼直升机华科尔甜，如图２．２．２，由于它相对便宜，且国内代理和服务点较多，修理和维护方便．从而使我们更加大胆的对它进行开发和改造，缺点是飞行稳定性稍差，续航时间短，动力较差，只能带很轻的负载。华科尔４＃遥控模型的主要参数如表２．２．２所示。

２飞行控制系统总件设计硬士论文

图２２２华科尔４＃遥控模型

华科尔群的运动是由改变四片旋翼提供的升力所控制的。不像常规直升机，它们通过调整旋翼的旋转速度、叶片攻击角（倾斜角）和叶片轮列角叫来改变升力矢量包括大小和方向，华科尔钾没有复杂的旋翼控制系统，它只需改变转速的大小就能实现全方位的飞行。华科尔删的四片旋巽的倾斜角是固定不变的。尽管由于华科尔甜的旋翼是由柔韧的塑料制成．当它们高速旋转时空气的拉力（或阻力）会使旋翼的倾斜角微小改变，因此，总的升力是四片旋翼转速之和的某种函数关系，转动力矩是它们的微分的某种函数关系。四片旋翼产生的反扭矩经由机身相互抵消，从而在机身上施加了相当大的压力。这是这个设计的重大不足，导致机身振动和扭曲变形，可能使固定器变松。

表２．２２华科尔４槌控模型主要参数

２２５９遥控模型重量（古电池）

重量有鼓载重量

机身全长（翼尖到翼尖）约２５９

机身宽

尺寸机高

旋翼直径

飞行时间

动力无线控制电池供电４７０ｍｍ８．１２分钟四电机驱动

华科尔删是一个闭环控制系统，它把三个陀螺仪作为反馈来稳定控制滚转、俯仰和偏航。闭环控制有两个方面的效果：一是机身的旋转就会和操控员给的命令相对应（成比例），使得它更易飞行：二，它会试图纠ｉＥ＃ｌ＂部来的干扰，例如一阵风。

硕士论文四旋翼无人直升机飞行控制系统的研究与设计２．２．２四旋翼直升机飞行控制的特点

由四旋翼飞行器的照片来看，和传统的直升机相比，它有着自身的优势【３８】。假如前后两个电机逆时针旋转，而左右两侧的电机顺时针旋转，则尾桨控制和旋翼倾斜问题可以被忽略。这就是说，四旋翼飞行器无需尾桨来抵消反扭力矩以及避免复杂的旋翼倾斜控制来实现各种飞行姿态，这是因为对角线上的两对电机的旋转方向相反，正好抵消了它们产生的扭力矩；由于其独特的对称性和多旋翼性，飞行姿态是靠调整四个旋翼的转速来实现的。控制四旋翼飞行器可以被认为只要使力和扭矩平衡。当在任一自由度上都没有多余的力的时候，它就会在空中悬停。即使是最小的力都会导致线加速度，最小的扭矩也会导致角加速度。

从另一方面来说，四旋翼直升机有四个输入力，同时却有六个输出（即六个自由度，包括绕三个轴的转动：俯仰、偏航和滚转，重心沿三个轴的线运动：进退、左右侧飞和升降），所以它又是一种欠驱动系统（欠驱动系统是指少输入多输出系统）。这样的系统往往会导致不稳定，需要能够确保长期稳定的控制方法。

四旋翼飞行器总的输入就是每个电机的旋转力矩之和。俯仰运动是由加大（或减小）后端旋翼转速，同时减小（或加大）前端旋翼转速来实现的。相似地可以得到滚转运动；即加大（或减小）左侧旋翼转速，同时减小（或加大）右侧旋翼转速。偏航运动是由加大（或减小）前后旋翼的转速，减小（或加大）两侧旋翼的转速来实现的。但必须明确一点，以上三种运动过程中总的旋转力矩应保持恒定。

２．３四旋翼无人直升机飞行控制系统的基本工作原理

姿态输出

图２．３．Ｉ四旋翼直升机飞行控制系统简图

由四旋翼无人直升机的飞行原理可以归结出飞行控制系统通常由测量装置（各类传感器）、飞行控制器和驱动电机、被控对象等部分组成，如图２．３．１。传感器用来测量四旋翼无人直升机的飞行状态信息，这些信息经过控制器处理后转变成能够被控制系统识别的有效信息，飞行控制器根据这些传感器反馈回来的飞行状态信息、预先给定的状态和现场无线电输入的控制指令信息进行处理，来计算出控制电机的输出信息。其中，状态的测量和飞行姿态的稳定控制作为飞行控制系统的核心，由于四旋翼

２飞行控制系统总体设计硕士论文飞行器是非线性系统，其数学模型较难准确建立，经典控制方法并不适用，可采用模糊控制理论加以探究。

２．４总体方案设计

２．４．１需求分析

本文以微小型四旋翼无人直升机为研究对象，最终设计目标是实现微小型四旋翼无人直升机自主飞行，并完成定点飞行与飞行避障等任务。飞行控制系统是微小型四旋翼无人直升机的核心，它决定着四旋翼直升机的各种飞行性能的优劣［４３］［４９］［５２】。在设计该系统时，必须全面综合分析结果和过程，考虑到微小型四旋翼无人直升机载重有限，在器件选型时应该优先选取重量轻、体积小、功耗低的产品；另外，为了日后系统升级的便利性，模块化，接口标准化应该始终贯穿在整个系统的设计过程中。２．４．２飞行控制系统总体结构

在借鉴了目前国内外微小型四旋翼无人直升机研究成果基础上，结合自身的优势和不足，设计了四旋翼直升机飞行控制系统，如图２．４．１所示。整个飞行控制系统可以分为地面和机载两大部分，它们在物理上是相互独立的，在控制逻辑上是相互关联的。

整个飞行控制系统包括传感器模块、四电机控制模块、中心控制模块、无线通信模块和地面控制站等部分。

（１）传感器模块是为四旋翼直升机的飞行控制提供各种飞行参数的装置，包括测量机身三轴角速率的陀螺组、测量机身三轴线加速度的加速度计组、测量机身航向及姿态信息的罗盘等。在测量过程中由于陀螺仪存在温漂和数字罗盘受周围磁场的影响，导致测得的姿态信息并不准确，因此将陀螺仪、加速度计和数字罗盘结合起来获取准确的偏航角、滚转角、俯仰角信息。

（２）四电机控制模块根据中心控制模块指令驱动各个电机到达指定转速，将电机的速度通过测速反馈装置反馈给ＤＳＰ，利用闭环控制来控制电机的转速为预期值。从而实现四旋翼飞行器不同的飞行状态。

（３）中心控制模块（ＤＳＰ）是飞行控制系统的核心计算部件，也叫飞行控制计算机，它在每个控制周期内实时处理传感器采集的数据和光电码盘测得的电机转速，完成一系列复杂的算法，得到四旋翼直升机的姿态和位置信息，结合无线模块传送的控制指令，计算出控制量，转化为相应的ＰＷＭ信号经驱动电路后驱动四个电机工作，保持四旋翼直升机稳定飞行，并将遥测信息通过无线通讯模块传送到地面控制站。１２

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图２．４１飞行控制系统息体结构框图

“）无线通信模块通过现有无线网络建立地面控制站和飞行器的通信链路。地面控制站向主控模块传输飞行和任务控制指令，同时中心控制模块发送飞行状态、任务状况等。可以将不同地点的现场视频信息通过无线通讯手段传送到地面控制站，保证视频流的稳定持续传输，并且不受山川、河流、桥梁道路等复杂地形限制。

（５）电源模块为机载控制系统、电机等提供电源。对于微小型四旋翼无人直升机来说，载重量有限，所以电源系统应该尽可能轻，能量密度要大。

地面控制站负责观察和记录四旋翼无人直升机的各项飞行信息。通过ＰＣ机显示器直观地显示出来；当四旋翼无人直升机需要人工干预的时候，可以发送控制指令现场对其进行控制。地面控制站和四旋翼直升机之间的通讯遵循设计好的测控协议。２．４．３飞行控制系统设计过程

由需求分析可知，本文主要是在遥控模型的基础上改装成能够自主飞行的四旋翼无人直升机，重点集中在飞行控制系统的软硬件的设计和开发。器件选型与硬件电路设计是系统设计非常关键的一步，如传感器的重量和控制系统电路板的大小将直接影

２飞行控制系统总体设计硕士论文响四旋翼直升机的任务承载量，从而对其所能执行的任务产生深远的影响，传感器的性能直接决定了所设计的控制方案的效果。硬件电路作为飞行控制系统的基础，还需要相应的飞行控制系统软件的支持才能行使其正常的功能，飞行控制软件是四旋翼无人直升机控制、检测、通讯等技术的载体和具体实现。软件设计采用模块化和层次化的设计思路，使程序方便调试，易于维护和扩展，同时应注意程序代码的执行速度和系统资源的合理分配等事项。软件模块化设计时应尽量做到独立模块尽量小以及保持其相对独立性。各主要模块单独调试通过后，还需要进行各模块联调，目的就是检验整体系统功能是否实现，先期可以做一些仿真，做到心中有数，然后进行飞行测试，以查看实际效果如何。

２．５本章小结

本章对四旋翼无人直升机飞行控制系统的总体方案进行了设计。首先选取了四旋翼无人直升机的飞行平台，对四旋翼无人直升机飞行控制系统的基本工作原理进行了简要的介绍，将整个飞行控制系统划分为若干模块并简要说明。１４

３四旋翼无人直升机的数学建模

３．１引言

数学模型不仅仅是对实际问题的数学描述，而且是对实际问题进行理论分析和科学研究的有力工具。四旋翼飞行器从结构上看似不复杂，但它的原理和飞行过程中涉及的空气动力学很难一下子看出来。因此对它进行数学建模就显得非常必要。本章先从平面内垂直起降飞行器［１２】【１３１（ＰＶＴＯＬ，ＰｌａｎａｒＶｅｒｔｉｃａｌＴａｋｅ．ｏｆｆａｎｄＬａｎｄｉｎｇ）入手，再推广到四旋翼飞行器上，对其整个系统进行数学建模。

３．２ＰＶＴＯＬ飞行器

ＰＶＴＯＬ简介

本节将介绍著名的ＰＶＴＯＬ（平面内垂直起降）飞行器问题。ＰＶＴＯＬ表现了对非３．２．１线性系统控制问题的挑战，特别是今天所知道的“运动控制”的情况。很明显，ＰＶＴＯＬ是随着垂直起降的飞行器，例如直升机和一些特殊的飞机，迫切需要稳定的要求下发展起来的。

ＰＶＴＯＬ是一种飞行体发展成垂直起降飞机的数学模型。它有三个自由度（ｘ，Ｙ，巾），分别表征了在平面内的位置和方向。ＰＶＴＯＬ由两个独立的推进器组成，为飞行器提供动力和力矩，如图３．２．１。ＰＶＴＯＬ是一个典型的非线性控制问题。

已经出现了多种设计方法专门针对ＰＶＴＯＬ飞行器的飞行控制问题。其实，从表面上看，这个特殊的系统只是一个有着最少状态和输入的简单的飞行器模型，然而却保持着在设计实际飞行器的控制律【１４】【１５１所要考虑的最主要的特征。所以首先研究ＰＶＴＯＬ的原理对深入了解四旋翼飞行器，甚至一般的航空器有着重要的意义。３．２．２ＰＶＴＯＬ系统描述

ＰＶＴＯＬ飞行器的飞行原理大致如下：每个机翼的中部各有一个推进器，它提供始终垂直机身平面向上的升力。当总的升力大于重力时，它就上升。如果两个推进器所给的力不相同，它们对机体中心的力矩就不平衡了，机身就开始倾斜，力的大小相差越大，机身倾斜的越厉害。

根据牛顿运动定律‘１６１，ＰＶＴＯＬ的系统方程由下式给出（见图３．２．１）：

槭＝ｓｉｎ（矽）“ｌ

彬＝Ｃｏｓ（≯）”ｌ—ｍｇ

３巾＝／ｕｌ（３．１）

１５

３四旋翼无人直升机的数学建模硕士论文

Ｙ

Ｘ

图３．２．１ＰＶＴＯＬ飞行器（前视图）

其中，ｘ是水平位移，Ｙ是竖直位移，≯是ＰＶＴＯＬ和水平线的夹角。“。是总的推进力，“２是两个推进器的推力之差（如图３．２．１）。Ｚ是推进器到机体中心的距离，Ｊ是ＰＶＴＯＬ的转动惯量，ｍｇ是它的重力。，，Ｊ，ｍｇ都是常量。

３．３四旋翼直升机建模

３．３．１旋翼空气动力学

准确建立旋翼空气动力学模型是建立整个四旋翼无人直升机数学模型的关键所在。旋翼飞行器与固定翼飞行器相比，其气动力在本质上是非线性和非定常的

【１６】【１７】【１８１，气动环境要复杂得多，因此要准确建立其数学模型并不容易。研究旋翼空气动力特性的方法有很多，目前经常采用的有：叶素理论、动量理论、涡流理论以及其他新兴流场计算方法、流体力学方法，比如：ＮＳ或Ｅｕｌｃｒ方程等【４７】［５０】【５ｌ】。由于时间和专业的限制，完整而详细的去研究旋翼空气动力学是不现实的，因此在综合比较了前人所做的工作基础上，选取适合现阶段工作需要的旋翼空气动力学模型，并完成整个四旋翼直升机数学建模的任务。

结合旋翼和桨叶的相对气流分析结论【９】，当飞行器具有前飞速度时，旋翼受到的力和力矩包括构造旋转轴的升力ｒ、阻力Ｄ、扭矩Ｑ和侧向力矩￡。可以发现，上述力或力矩均与旋翼转速的平方（国２）成一定比例关系【２０】：

ｚ＝三州ｅ舶２

１６（３．２）

Ｄ＝一Ｉ＾ｐＡＣ。Ｒ２Ｃ０２上，（３．３）

二

Ｑ＝吉ｐＡＣＱＲ２国２（３．４）

Ｌ＝三州ＧＲ２缈２＾ｏ＾（３．５）

厶

其中Ｒ为桨叶半径，Ａ＝ｚｒＲ２为桨盘面积，Ｐ为空气密度，Ｃ、ｃＤ、％、Ｇ分别为旋翼的拉力系数、阻力系数、扭矩系数和侧倾力矩系数。由此可见，求解旋翼的力或力矩关键在于各项空气动力学系数的求解。根据我们应用的需要，经过一定的工程近似，得到单片旋翼的升力【删可以表示为：

ｆ＝ｋｃ０２（３．６）

其中常数ｋ表示这片旋翼的升力系数，它与旋翼的形状、尺寸和安装有关，同时还与该旋翼的飞行状态有关，由于它涉及的面过于复杂，在工程上把它近似于悬停状态，仍当做常量来看。

３．３．２四旋翼直升机简化数学模型

图３．３．１给出了一种四旋翼直升机的示意图，和传统的直升机相比，它有着自身的优势。假如前后两个电机逆时针旋转，而左右两侧的电机顺时针旋转，则尾桨控制和旋翼倾斜问题可以被忽略。这就是说，四旋翼直升机无需尾桨来抵消反扭力矩以及避免复杂的旋翼倾斜控制来实现各种飞行姿态，这是因为对角线上的两对电机的旋转方向相反，正好抵消了它们产生的扭力矩；由于其独特的对称性和多旋翼性，飞行姿态是靠调整四个旋翼的转速来实现的。

图３．３．Ｉ四旋翼直升机模型示意图

四旋翼直升机总的输入就是每个电机的旋转力矩之和。俯仰运动是由加大（或减１７

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