四旋翼飞行器机载目标视频跟踪与控制技术研究(9)

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(5)自主导航智能飞行

四旋翼飞行器主要应用于近地面环境，比如：城区、峡谷、室内和隧道等，在这些环境中GPS 由于存在盲区，导致其不能正常工作，需要综合超声测距、惯导、激光等技术，开发可靠而精确的导航与定位技术；近地面干扰较多，当前通信链技术的可靠性、安全性和抗干扰性难以满足实际应用的需求。因此，研制开发重量轻、体积小、功耗低、可靠稳定和抗干扰的通信链对四旋翼飞行器技术的发展而言，是尤为关键的。四旋翼飞行器发展的一个主要方向是高自主控制和高智能化。目前四旋翼飞行器的控制水平和智能化水平远没有达到要求。四旋翼飞行器要能够自主完成预先确定的航路和规划的任务，或者在线感知形势，并按确定的使命原则在飞行中进行决策并自主执行任务，需要建立在不确定性前提下处理复杂问题的自主决策能力。要使四旋翼飞行器在各种环境中更能发挥其优良性

能，首先条件就是实现自主飞行。人工智能和自主控制是相互依赖的。智能传感器本身带有微处理器，具有采集、处理和交换信息的能力，是传感器集成化与微处理器相结合的产物，通过软件技术可实现高精度的信息采集，而且成本低；具有一定的编程自动化能力；功能多样化；高可靠性和高稳定性。使用智能传感器就可以将信息分散处理，从而降低成本，提高其智能水平。因而传感器智能化是传感器技术发展的重要方向。文献综述

1.7 本文主要研究内容和组织结构

本文分为四大章，其中第三章为本文重点，具体安排如下：

第一章，引言。主要介绍了本课题研究背景、国内外四旋翼飞行器发展现状、相关控制算法、本文研究内容以及本论文的文章结构。

第二章，四旋翼飞行器系统结构原理。包括四旋翼飞行器系统总体结构分析、控制系统工作原理、飞行器的基本运动方式和运动特点。

第三章，四旋翼飞行器动力学模型的建立。详细介绍了在一定的假设条件下如何建立了系统的动力学模型及推导出六自由度的动力学方程的过程。

第四章，四旋翼的PID控制器设计及仿真。在分析了四旋翼飞行系统的特点的基础上，设计了经典的PID控制器，实现四旋翼飞行系统的位姿控制，并使用MATLAB/Simulink软件进行仿真。

2 四旋翼飞行器系统结构原理

2.1 飞行器的结构

微型四旋翼飞行器是由四个可以独立控制转速的外转子直流无刷电机驱动的螺旋桨提供动力的飞行系统，四个固定迎角的螺旋桨分别安装在两个刚性碳素杆的两端，两根碳素杆十字相交。四旋翼飞行器结构根据两根碳素杆的交点对称，并且两个相邻的螺旋桨旋转方向相反。通过调节电机转速来改变旋翼速度，实现升力的变化，从而控制飞行器的姿态和位置。（微型四旋翼直升机是固联在刚性十字交叉结构上由四个独立电机驱动的螺旋桨组成的系统，）。尽管有四个驱动，但因为四旋翼直升机具有六个坐标输出，所以仍然是欠驱动和动力不稳定的系统。沿着任意给定方向的独立运动，飞行器如果没有给予足够多的运动驱动，那么该飞行器就是欠驱动的。因此为了实现全部的运动控制目标，必然存在旋转力矩与平移系统的耦合。源.自/751·论\文'网·www.751com.cn/

四旋翼直升机本体如图2.1所示。微型四旋翼直升机由基座、主体构架和四个螺旋桨等部分组成。安装在枢轴关节上的四个螺旋桨呈十字交叉结构，分为前后和左右两组，可以围绕偏航轴、俯仰轴和滚装轴做旋转运动，并在每个轴上分别安装了编码器用来测量直升机的偏航角、俯仰角和滚转角[16]。两组螺旋桨分别按相反时针方向旋转，使得四个螺旋桨同时可以相互抵消所产生的扭矩，保证直升机的偏航角为零。通过改变前后螺旋桨的转速可以控制滚转角的变化，而偏航角的变化则由四个螺旋桨旋转产生的总扭矩来控制。