四旋翼飞行器设计资料.pdf

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四旋翼飞行器的设计
查重 98%
四旋翼微型飞行器是一种以 4 个电机作为动力装置 .通过调节电机
转速来控制飞行的欠驱动系统;为了实现四旋翼微型飞行器的自主飞
行控制,对飞行控制系统进行了初步设计 ,并且以 C8051F020 单片机为
计算控制单元,给出了飞行控制系统的硬件设计,研究了设计中的关键
技术;由于采用贴片封装和低功耗的元器件,使飞行器具有重量轻、体
积小、功耗低的优点 ;经过多次室内试验 ,该硬件设计性能可靠 ,能满足
飞行器起飞、悬停、降落等飞行模态的控制要求 .
一． 微小型四旋翼飞行器的发展前景
根据微小型四旋翼飞行器发展现状和相关高新技术发展趋势 ，
预计它将有以下发展前景。
1 )随着相关研究进一步深入 ，预计在不久的将 来小型四旋翼飞行
器技术会逐步走 向成熟与实用 。任务规划、飞行控制、无 G P S
导航、 视觉和通信等子 系统将进一步健全和完善，使其具有自主起
降和全 天候抗干扰稳定飞行能力 。它未来 的主要技术 指 标： 任
务半径 5 k m ，飞行高度 1 0 0 m ，续航时间 1 h ，有效载荷约 5
0 0 g ， 完全能够填补目前国际上在该范 围内侦察手段的空白。
2 )未来的微型四旋翼飞行器将完全能够达到美国国防预研局对 M A
V基本技术指标的要 求。 随着低雷诺数空气 动力学研究 的深入 ，
以及纳米和 M E MS 技术的发展 ，四旋翼 M A V 必然取得理论和工
程上的突破。它将是一种有 4 个旋翼的可飞行传感 器芯片， 是一
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个集成多个子系统 ( 导航与控制、 动力 与能源、 任务与通信等子
系统) 的高度复杂 ME M S 系 统；不但能够在空中悬停和向任意方向
机动飞行， 还
能飞临、绕过甚至是穿过 目标物体。此外 ，它还将拥有良好的隐身
功能和信息传输能力。
3 )微小型四旋翼飞行器的编队飞行与作战应
在未来的战争中，微小型四旋翼飞行器 的任 务之一将是对敌方
进行电子干扰并攻击其核心目标。单个微小型飞行器的有 效载荷量
毕竟有限，难以有效地完成任务，而编 队飞行 与作 战不仅可以极
大地提高有效载荷量，还能够增强其突防能力。
二．四旋翼飞行器的国内外研究现状
目前世界上存在的四旋翼飞行器基本上都属于微小型无人飞行器，一
般可分为 3 类：遥控航模四旋翼飞行器、小型四旋翼飞行器以及微型
四旋翼飞行器。
(1)遥控航模四旋翼飞行器
遥控航模四旋翼飞行器的典型代表是美国 Dfaganflyer 公司研制的
Dragan ．flyer III 和香港银辉 (silverlit) 玩具制品有限公司研制
的 X．UFO。Draganflyer III 是一款世界著名的遥控航模四旋翼飞行
器，主要用于航拍。机体最大长度 (翼尖到翼尖 )76．2cm，高 18cm，
重 481．19：旋翼直径 28cm，重 69；有效载荷 113 ．29；可持续飞行
16--20min 。Draganflyer III 采用了碳纤维和高性能塑料作为机体
材料，其机载电子设备可以控 1 书 1]4 个电机的转速。另外，还使用
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了 3 个压电晶体陀螺仪进行姿态增稳控制【 5J。X．UFO机体最大长
度 68．5cm，高 14cm；持续飞行时间约 5min；遥控距离可达 100m。X．UFO
的旋翼被置于发泡聚丙烯 (EPp),tJ 成的圆环中，比 Draganflyer III
有更好的安全性 [471 。(2)小型四旋翼飞行器
世界上对小型四旋翼飞行器的研究主要集中在 3 个方面：基于惯
导的自主飞行控制、基于视觉的自主飞行控制和自主飞行器系统方
案，其典型代表分别是：瑞士洛桑联邦科技学院的 OS4、宾夕法尼亚
大学的 HMX4和佐治亚理工大学的 GTMRAS
OS4 是 EPFL 自动化系统实验室开发的一种电动小型四旋翼飞行
器，研究的重点是机构设计方法和自主飞行控制算法，目标是要实现
室内和室外环境中的完全自主飞行。目前，该项目已经进行了两个阶
段。OS4 I 最大长度约 73cm，质量为 2359g ；它使用 TDraganflyer III
的旋翼和十字框架，4 个 Faulhaber 1724 电机，以及一个 Xsense 的
MT9．B 微惯性测量单元。研究人员通过万向节将它固定于飞行测试
平台之上，使其只具有 3 个转动自由度；能源供给、数据处理、电机
驱动模块以及飞行控制单元都由飞行器外部提供；至 2004 年，已经
分别基于多种控制算法 (例如： PID、LQ、Backstepping 、Sliding —
mode)，实现了飞行器姿态控制【6’7】。OS4II 的机身最大长度 72cm，
重 5209 ；机载 2309 的锂电池，能提供自主飞行
30min 的能量。它与 OS4 I 的区别主要有：使用了桨叶面积更大的新
旋翼；使用了更轻、功率更大的 LRK无刷电机 BLDC；使用皮带减速
装置代替了电机减速箱；控制器、传感器、电池和电机驱动模块等都
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直接安装在机体上，不再由机体外部提供。 2006 年 1 月 EPFL已经实
现了 OS4 II 在室内环境中基于惯导的自主悬停控制。 HMX4在机构上
与 Draganflyer III 相似，最大长度 76cm，重约 7009 ，机体底部有
5 个彩色标记。地面摄像头跟踪并测量标记的位置与面积，从而计算
获得飞行器的 3 个姿态角 (角速率则由 3 轴陀螺仪测量获得，主要用
于飞行器姿态增稳控制)和位置。研究人员将整个系统安装在一个实
验平台上(该实验平台只对飞行器在水平面内的运动范围进行了限
制)，实现了自主悬停控制，使用的控制算法是Backsteppingl81 。
最近，HMX4研究人员又开发了一套基于机载和地面双摄像头的视觉
定位与定姿系统，进一步提高了测量的精度。这种基于视觉的飞行控
制方法可以很好地应用于一些特殊的任务，比如：在固定平台自主起
飞与降落，与地面可移动机器人协同等。GTMARS是佐治亚理工大学
面向火星探测任务而设计的 CAD无人机系统。它重 20kg ，旋翼半径
0．92m，续航时问 30min。折叠封装的 GTMARS随四面体着陆器登陆
火星后， 能自动将机构展开； 能自主起飞和降落， 巡航速度可达 72km
／h；另外，它还能返回到着陆器补充能量 19J( 着陆器装载有太阳能
电池)。
(3)微型四旋翼飞行器
微型飞行器 (㈣从一开始就引起了人们极大的兴趣，斯坦福大学的
Mesicopter 是目前世界最著名、最重要的 MAV之～。 Mesicopter 是
斯坦福大学的研究小组在 NASA支持下，为研究微型旋翼飞行器技术
而设计的。机身为 16mm×16mm方形框架；旋翼直径 1．5cm，厚度
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0．08mm；电机直径 3ram，重量 325mg。目前已经完成了试验样机在
一竿臂上的离地起飞， 进一步的工作仍在继续， 最终目标是实现自主
飞行和多飞行器协同完成具体任务
三．课题研究的科学意义与发展前景
飞行控制问题是微小型四旋翼无人直升机研制的关键问题， 主要有两
方面的困难。首先，对其进行精确建模非常困难。飞行过程中，它不
但同时受到多种物理效应的作用，比如：空气动力、重力和陀螺效应
等，还很容易受到气流等外部环境的干扰。因此，很难获得准确的气
动性能参数，难以建立有效、准确的动力学模型。因为它的复杂性，
在忽略弹性振动及变形的情况下，工程中所使用的直升机模型都是经
过不同程度简化处理的，导致模型建立不精确。其次，微小型四旋翼
无人直升机是一个具有六个自由度， 而只有四个控制输入的欠驱动系
统(Underactuated System) 。它具有多变量、非线性、强耦合和干扰
敏感的特性，使得姿态控制器的设计变得非常困难。
根据微小型四旋翼飞行器发展现状和相关高新技术发展趋势，预
计它将有以
下发展前景。
(1)随着相关研究进一步深入，预计在不久的将来小型四旋翼飞行器
技术会逐步走向成熟与实用。任务规划、飞行控制、无 GPS导航、视
觉和通信等子系统将进一步健全和完善， 使其具有自主起降和全天候
抗干扰稳定飞行能力。它未来的主要技术指标：任务半径 5km，飞行
高度 100m，续航时间 lh ，有效载荷约 5009 ，完全能够填补目前国际
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上在该范围内侦察手段的空白。
(2)未来的微型四旋翼飞行器将完全能够达到美国国防预研局对MAV
基本技术指标【 10l 的要求。随着低雷诺数空气动力学研究的深入，
以及纳米和 MEMS技术的发展，四旋翼 MAV必然取得理论和工程上的
突破。它将是一种有 4 个旋翼的可飞行传感器芯片， 是一个集成多个
子系统 (导航与控制、 动力与能源、任务与通信等子系统 )的高度复杂
MEMS系统；不但能够在空中悬停和向任意方向机动飞行，还能飞临、
绕过甚至是穿过目标物体。此外，它还将拥有良好的隐身功
能和信息传输能力。
(3)微小型四旋翼飞行器的编队飞行与作战应用 【14】。在未来的战争
中，微小型四旋翼飞行器的任务之一将是对敌方进行电子干扰并攻击
其核心目标。 单个微小型飞行器的有效载荷量毕竟有限， 难以有效地
完成任务，而编队飞行与作战不仅可以极大地提高有效载荷量， 还能
够增强其突防能力。
总之，微小型四旋翼无人直升机飞行控制技术的研究，从理论和
工程的角
度都具有重要意义。
四．微小型四旋翼飞行器发展的关键技术
迄今为止 ， 微小型 四旋翼 飞行 器基础理论与实
验研究 已取得较大进展 ， 但要真正走 向成熟与实用 ，
还面临着诸多关键技术的挑战。
1 最优化总体设计
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进行微小型四旋翼飞行器总体设计时， 需要遵循以下原则： 重量轻、
尺寸小、速度快、能耗和成本低。但这几项原则相互之间存在着制约
与矛盾， 例如：飞行器 重量相同时， 其尺寸与速度、 能耗成反比 。
因此， 进 行微小型四旋翼飞行器总体设计时， 首先要根据性能 和