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摘要四旋翼无人飞行器是一种外形新颖，性能优越的垂直起降无人飞行器，它利用四个旋翼所产生的空气动力克服自身重力和空气阻力，从而达到飞行的目的。四旋翼无人飞行器有着非常广阔的前景，它也引起了广大科学研究者的浓厚兴趣，成为诸多学者的研究方向与热点。它可以完成很多艰巨的，人类不能完成的任务，它的出现使得人类的生活更加丰富多彩。 本文以四旋翼无人飞行器为研究对象，首先通过查阅资料对四旋翼无人飞行器飞行特点进行研究，了解飞行器的飞行原理，然后通过使用 MATLAB中的SIMULINK 模块对四旋翼无人飞行器进行建模，建立飞行器的动力学模型，使用经典的 PID控制算法实现对四旋翼无人飞行器的控制，最终完成四旋翼无人飞行器的姿态控制。 27580
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毕业论文关键词 四旋翼无人飞行器 动力学建模 MATLAB/SIMULINK PID控制 Title Control Of A Quadrotor Unmanned Aerial Vehicle
Abstract Quadrotor UAV is an appearance, superior performance VTOL UAV, which uses air power generated by four rotors overcome gravity and air resistance, so as to achieve the purpose of the flight. Quadrotor UAV has a very broad prospects, it also aroused great interest of the majority of scientific researchers to become research and hot spots of many scholars. It can do a lot of daunting tasks humans can not, it makes the life of human more colorful. In this paper, quadrotor unmanned aircraft for the study, first conducted research through access to information on the quadrotor unmanned aircraft flight characteristics, understand the principles of aircraft flight, then use the MATLAB SIMULINK module of quadrotor unmanned aircraft modeling, dynamic model of the aircraft, using classical PID control algorithm for quadrotor unmanned aircraft control, the final completion of the quadrotor UAV attitude control. Keywords Quadrotor UAV Dynamic Modeling MATLAB/SIMULINK PID control
目 次
1 绪论 3
1.1 论文的研究背景与意义 3
1.2 四旋翼飞行器发展历史与国内外研究现状 3
1.2.1 早期四旋翼飞行器的发展 . 3
1.2.2 四旋翼飞行器的研究现状 . 5
1.3 四旋翼无人飞行器关键技术与理论成果 6
1.3.1 四旋翼无人飞行器的建模 . 6
1.3.2 四旋翼飞行器的飞行控制方法 . 7
1.4 课题研究内容及目标 7
2 四旋翼无人飞行器飞行特点与原理 9
2.1 四旋翼无人飞行器的特点 9
2.2 四旋翼无人飞行器飞行控制原理 9
3 四旋翼无人飞行器的动力学建模 12
3.1 坐标系的选取 12
3.2 四旋翼无人飞行器的建模 13
4 四旋翼无人飞行器的 PID控制设计 18
4.1 MATLAB/SIMULINK 模块介绍 . 18
4.2 经典PID控制理论 . 18
4.3 控制结构基本分析 19
4.4 PID控制算法的运用 20
4.5 系统设计与结果分析 22
结 论 26
致 谢 27
参考文献 28
1 绪论 1.1 论文的研究背景与意义 无人驾驶飞机的简称为“无人机”，英文简称为 UAV(Unmanned Aerial Vehicle)，无人驾驶飞机是一种小型的不载人的飞行器，利用控制系统控制它的飞行，控制系统可以是研究者控制的也可以是自身所带的。随着科学技术的发展，新型传感器产生、微处理器性能的提高、推进动力系统微型化，使得无人机系统越来越集成化，性能不断得到提高，无人机的工作耐久性、效率和自主性都得到了突飞猛进的发展。无人机已经在军事，工业，农业等多个领域发挥了非常重要的作用，能够完成人类所不能完成的各种艰巨任务。目前，在无人机领域，四旋翼无人飞行器成为了一个热点，逐渐占据了无人机中非常重要的地位[1]。 四旋翼无人飞行器在实际应用中存在很大需求，军事用途是实际应用中的主要方面，包括情报搜集、监控、侦查和攻击。随着科技的进步，无人机技术也得到了很大的发展，它将会执行更加艰巨而复杂的任务，例如空战、目标侦测、辨识等任务。在民用市场上，它也有着非常重要的用途，例如：地形、管道、公共设施、建筑等的监测、海岸线和交通运输的测量、灾难和危险的搜索和救援、环境监测、农林业等方面[2]。如此多的应用足以体现出它在市场上的地位与价值。 四旋翼无人飞行器通常由机身和四个旋翼组成，其飞行工作原理：机身带有控制系统，四个旋翼提供升力，它外形小巧，结构独特，利用四个旋翼所产生的空气动力克服自身重力和空气阻力，从而达到飞行的目的。而且它在空中飞行的姿态多种多样，能够灵活的运用各种飞行姿态在空中飞行。因具有诸多的优点，四旋翼无人飞行器具有很光明的前景，在不同领域发挥了特有的能力，因此吸引了诸多国内外学者的关注，也成为很多学者的研究方向和热点。 1.2 四旋翼飞行器发展历史与国内外研究现状 早期由于科技的发展并不发达，各项技术还达不到要求，飞行器的设计与制造还有着非常大的技术困难，所以早期出现的都是体积巨大的飞行器。但它存在诸多问题，例如体积太大，控制复杂，花费太高，所以导致大型四旋翼无人飞行器的发展速度非常缓慢。近些年来，随着控制技术的提高，材料更加轻便且牢固，动力系统的加强，四旋翼无人飞行器有了非常迅猛的进步[3]。 1.2.1 早期四旋翼飞行器的发展 四旋翼无人飞行器，又可以称作 Quadrotor、Four-rotor、4rotor-helicopter、X4-Flyer,以及有了一百年以上的历史。它采用严格对称的十字结构，提高了飞行器自身的稳固性，可以更加稳定的控制飞行器的飞行，也有利于研究人员的设计与制造。四旋翼无人飞行器体积非常小巧，四个旋翼普遍较小，这使得它能够在狭小的空间飞行，而且不容易碰到障碍物而导致飞行器坠毁，安全性得到了相当大的提高。此外，它有四个电机可以提供动力，四个电机给四个旋翼提供动力支持，四个旋翼从而提供升力，这样四旋翼无人飞行器的飞行就会更加稳定，动力也更加充足。 回顾四旋翼无人飞行器的发展历程，它早期的发展可以追溯到 20世纪初期。世界上第一架四旋翼直升机是由法国 Breguct 兄弟研制出来的，那时候才刚好是 1907 年，可以看出四旋翼飞行器的发展开始的是有多么早。法国Breguct 兄弟在此无人机上安装了四个旋翼，每个旋翼由两个巨大的双层桨叶组成，机身内部装有一台 36.7 千瓦的发动机，可以承载一个人。因为这架飞机没有安装任何的控制系统，地面研究人员也无法对其进行控制，所以它在空中的飞行非常不稳定，而且也坚持不了太长时间。尽管如此，这次实验开启人类对四旋翼飞行器的研究之旅，这个笨重的庞然大物也完全可以被誉为四旋翼飞行器的开山鼻祖。 1921年，GeorgeDeBotherzat 在美国空军部建造了第二架大型的四旋翼直升机，机身总重626Kg，机身安装一台 132 千瓦的发动机作为动力源，四个旋翼的转速最高可以达到为每分钟 90转。这架四旋翼飞行器采用了与一般飞机常用的飞行操作系统，进行了很多次实验，虽然可以飞上天空，但是由于无法控制而且也远远达不到美国空军的标准，因此就放弃了对它的继续研究。 1924年，Oemichen 四旋翼直升机的出现让人们眼前一亮，因为它可以完成飞离地面达到一千米的高度，这对于当时科技的发展状况来讲，是一件让人兴奋的成就，人们也对此产生浓厚的兴趣。 之后在1956年，Convertawing 通过长期的设计与试验，成功设计并制造出了一架独特的四旋翼直升机。他设计的这种四旋翼直升机独特之处在于，它不同以往的四旋翼直升机，该直升机的四个旋翼都超过了 19英尺，而且不同于之前的十字结构，四个旋翼采用 H型结构，它也可以很好的通过旋翼的旋转把飞行器送上天空。令人惊讶的是，虽然这个飞行器的设计相对成功并且飞上天空，但是竟然由于人们对飞行器失去兴趣，导致研究工作没有继续进行[4]。 从此之后四旋翼飞行器的发展陷入停滞，由于传感系统，动力系统，材料工艺等科技都没有得到很好的发展，所以四旋翼飞行器的发展变得相当缓慢，算是止步不前的状态。 1.2.2 四旋翼飞行器的研究现状 近年来，由于科技的不断发展，各种与四旋翼飞行器相关的技术都得到相当大的发展与提高，所以四旋翼飞行器的研究又逐渐成为热门，人们对它的兴趣也逐渐提升，我们接下来就介绍一下四旋翼无人飞行器的国内外研究情况，了解一下它的发展方向与趋势，也算是对当今四旋翼的发展做个简单的了解。 美国生产的四旋翼飞行器 Draganflyer X4 是很有特点的一款四旋翼无人飞行器，它采用先进的制造工艺进行原料的加工，使得机体本身非常轻便，降低了重力的同时减少了飞行过程中可能出现的阻力。它还采用了世界上非常先进的控制技术，在飞行器飞行的过程中可以根据传感器收到的数据及时调整自身的飞行，从而使得飞行器更加稳定，更加容易执行复杂的任务，更加加强了飞行器的安全性。 瑞士洛桑联邦科技学院（EPFL）OS4 项目（Omnidirectional Stationary Fly-ing Outstretched Robot）研制的OS4 四旋翼飞行器是有电动机驱动，可以在任何环境下完成自主飞行。这个项目的目的就是研发出一种能够不需要人类控制，完全自主飞行的飞行器。OS4 四旋翼飞行器自身携带了多个传感器，就是为了监测飞行过程中周围环境的变化，如果监测出障碍物，它就会传递给飞行器警告信息，通过自带的控制系统调节飞行姿态和飞行角度，从而完美的避开障碍物。这款飞行器是目前避障性能最好的一个，它在仿真环境中可以完美的避开所有设计的障碍物，达到安全飞行。 目前，世界上最重要以及最著名的微型飞行器是由斯坦福大学设计并研发的Mesicopter。当他们首先提出微型飞行器的概念，就吸引了广大科研者的兴趣，因为以往的四旋翼飞行器虽然体积很小，但是还无法满足很多需求，而微型四旋翼飞行器的提出可以将四旋翼飞行器的尺寸一下子降低多个量级，这样，它就可以完成人类日益复杂的要求。目前，斯坦福大学设计的微型飞行器还不是特别成功，只是初步完成了飞行的任务，并不能完成自主飞行的任务，还有很多艰巨的任务在等待着有能力的人去完成，希望微型飞行器有个光明的未来[5]。 迄今为止，国外对于四旋翼无人飞行器的研究非常深入，而且相当广泛，诸多科研产品已经可以用于军事和民用用途，在生活中发挥着非常重要的作用。国内的很多家研究机构和大学实验室也都在如火如荼的进行着四旋翼无人飞行器的研究，这些研究也已经有了一部分成果，就在国内也能经常看到四旋翼无人飞行器的模型玩具，虽然距离国外还是有一些差距，但是相信中国的科研学者会更进一步，设计出更加优秀的作品。以下介绍以下国内知名的研究成果。 在2006年，国防科技大学自主研发了四旋翼无人飞行器，而且利用有效的建模方法建立了四旋翼无人飞行器的动力学模型，对系统采用了基于 Backstepping 与 ADRC 的控制算法，对四旋翼无人飞行器系统进行了合理的仿真实验，通过时间结果表明了模型的建立是正确的。此外，对于飞行器的姿态解算采用了基于平方根 UKF滤波方法，估算出了四旋翼无人飞行器的飞行姿态，然后又通过合理仿真方法验证了以上方法的正确性。 也是在2006年，哈尔滨工业大学也对四旋翼飞行器进行了研究，通过建立合理的四旋翼飞信器模型为基础，通过该模型设计了四旋翼无人飞行器的控制器，这个控制器可以有效的控制四旋翼无人飞行器的飞行姿态与速度，并且通过仿真验证了控制器对飞行器控制的有效性[6]。 1.3 四旋翼无人飞行器关键技术与理论成果 四旋翼无人飞行器优势显著，相比于垂直起降的直升机以及其他的飞行器，它不仅拥有这些飞行器的优点，而且还有很多其他的优势。四旋翼无人飞行器四个旋翼相对较小，机身也相对较小，这样就可以减轻自身重力所带来的不利影响，而且还降低了飞行器碰撞到障碍物上而导致飞行器失控的可能。它采用四个旋翼，相比于单旋翼或者固定翼飞行器来讲，它的动力由四个螺旋桨的动力驱动设备提供，当动力由四个螺旋桨共同提供，可以有效增加四旋翼无人飞行器的稳定性与可控性，使得四旋翼无人飞行器可以更加灵活，可以以各种姿态在空中飞行。四旋翼无人飞行器的稳定性、安全性相当优越，如何通过有效的技术和控制策略对四旋翼无人飞行器进行控制成为广大学者的兴趣所在。 1.3.1 四旋翼无人飞行器的建模 四旋翼飞行器相比于垂直起降的直升机以及其他的飞行器，四个螺旋桨采用稳定的十字结构，有四个电机分别控制四个螺旋桨，通过控制四个电机的输入电压从而达可以到控制四个旋翼转速而达到稳定飞行的目的。四旋翼飞行器体积小，飞行速度低，飞行条件相对复杂，极易受到外界因素的影响，这些复杂的特点导致四旋翼无人飞行器的控制并不简单，甚至相当复杂，这就需要我们通过大量的实验得到有效参数，这样才能减少建模的误差。 四旋翼无人飞行器体积很小，极易受到各种环境的影响，从而导致我们的建模非常复杂，很难得到非常准确而又符合实际的模型，但是对于建模还是有方法让我们更接近四旋翼无人飞行器的真实情况，关于四旋翼无人飞行器的建模方法这里介绍两种： 1.理论建模：经过理论计算，根据牛顿力学公式得到四旋翼无人飞行器的动力学方程。 2.经验建模：根据实验所的到的经验从而推导出四旋翼无人飞行器的动力学方程。 目前研究主要是经过理论计算，通过已有的牛顿力学公式得到四旋翼无人飞行器的动力学方程， 然后在根据已经得到的各项数据，通过软件得到四旋翼无人飞行器的动力学模型 。 1.3.2 四旋翼飞行器的飞行控制方法 四旋翼无人飞行器极易受到外界及自身带来的影响，这导致它的建模与控制都很难实现。另外，由于四旋翼飞行器尺寸小，导致仪器测量得到的飞行数据都不是十分准确，存在一定程度上的误差。所以，要保证四旋翼无人飞行器在飞行过程中时刻保持一种稳定的姿态，那么四旋翼无人飞行器的控制方法就显得极为重要。 现在为止，有很多飞行器控制算法都已经问世，这些控制方法各有各的好处，适合于不同类型的飞行器的飞行控制，例如PID控制、PD控制、LQ控制、Backstepping控制、滑模控制等等[8]。目前已经存在的控制算法有很多很多，总的来说，每个控制算法都有自己的优势，本文主要采用经典的是PID 控制算法，这种控制方法非常经典，在工业上的使用非常广泛，而且也有利于我们的学习与理解。 1.4 课题研究内容及目标 本文的研究对象是四旋翼无人飞行器，主要研究它的飞行控制方法，通过对四旋翼无人飞行器的特点与飞行原理的分析，通过牛顿第二定律分析受力情况，对其进行理论建模，并且在 MATLAB中的Simulink 模块下建模，并且在此模块下，利用 PID控制算法针对所建立的模型进行仿真控制。以上面所述内容为基础，做了如下工作，以下介绍每章重点内容： 第一章介绍了四旋翼无人飞行器的研究背景与意义，以及它的早期发展与国内和国外研究情况，还有其关键技术与理论成果，揭示了本论文研究的意义，简要介绍了它的发展历程，也介绍了本文的基本研究方法。 第二章介绍了四旋翼无人飞行器的特点以及飞行原理。只有了解了四旋翼无人飞行器的特点以及原理，我们接下来的建模以及分析才更加容易开展，所以说第二章也是为了我们的研究进展顺利而做出的铺垫，不仅方便我们的研究，也有利于我们对四旋翼无人飞行器的深入了解。 第三章介绍了四旋翼无人飞行器的建模，我们从四旋翼无人飞行器的主要受力和力矩出发，根据牛顿第二定律，建立四旋翼无人飞行器的动力学方程。完成建立动力学方程，再根据 MATLAB中的Simulink 模块进行模型的建立。 第四章介绍了四旋翼无人飞行器的操纵分配、特性分析以及内回路控制。通过运用第三章建立的模型，对四旋翼无人飞行器进行简单的控制研究，研究不同姿态下的控制方法，分析四旋翼无人飞行器的特性，完成对飞行器的PID 控制。
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