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科研导论论文.doc:..Chinauniversityofminingandtechnology(beijing)科研导论结课(论文)四旋翼无人机技术浅析学院名称机电与信息工程学院专业名称测控技术与仪器学生姓名龙智国学 号1210450113任课教师李庆玲二O—三年五月四旋翼无人机技术浅析龙智国(中国矿业大学(北京)测控技术与仪器1210450113)摘要:近年来,四旋翼无人机成为无人机领域研究的热点之一,本文详细介绍了四旋翼无人机的飞行原理,飞行控制技术,机身设计在国内国外的研究现状,并设想了未來发展方向。关键词:四旋翼飞行器,无人机,自动控制,机身设计。1-引言:四旋翼作为一种具有结构特殊的旋转翼无人飞行器。与固定翼无人机相比,它具有体积小,垂直起降,具有很强的机动性,负载能力强,能快速、灵活地在各个方向进行机动,结构简单,易于控制,且能执行各种特殊、危险任务等特点。因此在军用和民用领域具有广泛的应用前景。女口低空侦察、灾害现场监视与救援等。本文详细介绍了国内外关于四旋翼无人机的研究现状,并设想了未来发展方向。:1907年,第一架四旋翼飞行器“"升上了天空。但由于构造复杂不易操纵等原因,大型四旋翼飞行器的发展一直都比较缓慢。近年来,随着新型材料、微机(MEMS)、微惯导(MIMU)以及飞行控制等技术的进步,微小型四旋翼飞行器得到了迅速发展,国外已经对四旋翼飞行器做了大量研究,起步比国内早很多,研究主要集中在以下几个方面:1、基于惯性导航的飞行器控制技术。2、基于视觉的自主飞行控制和自主飞彳亍控制系统。女口:德国microdrones公司研究的MD4-200型无人机,麻省理工学院计算机科学实验室研究的MITquadrocopter飞行器以及麻省理工学院与华盛顿大学大学共同研制的ys-9x系统。国内许多机构也对四旋翼无人机的相应系统进行了研究。女n:南京航空航天大学研究的:直升机理论和数学建模与模糊控制;北京航空航天大学研究的:共轴双翼机的自主控制与研发工作;浙江大学与清华共同研究:机载GPS和数学建模机器人视觉系统以及上海交大研究的:受控对象的非线性分析。:四旋翼结构的无人机,通过机载导航系统控制使其各旋翼之间协调运动,实现飞行姿态自动调整,可按要求完成垂直起落控制、空中悬停控制、偏航控制、滚转控制、俯仰控制等多种动作及任务。四旋翼无人机在各种结构特征参数确定的情况下,通过改变旋翼转速来改变拉力。四旋翼飞行器结构简图及受力分析如图1所示。四旋翼无人机是在改变旋翼拉力与自身重力间关系的基础上实现各种飞行姿态的变化。每个旋翼的空气动力学拉力fdragi(i=b2,3,4)的数学表达式为:j“P・G・Ai・(F•他)2 (1)式(1)屮:P为空气密度,Ct为拉力系数,Ai为第i个旋翼桨盘面积,W’为第i个旋翼电机旋转速度,R,为第i个旋翼桨叶片长。在四旋翼无人机设计中,四旋翼采用相同的电机与相同材质及相同大小的桨叶片,可近似把入、G、乩看作一常量,则式⑴可简化为:(2)其中:kdragi>0为依赖于空气密度的常数,5为笫i个电机旋转角速度。由式(2)可见,通过给定PWM信号控制电机驱动器控制四翼电机的转速,从而实现对四旋翼电机拉力的控制,完成整个飞行器的动作。在地球惯性坐标系R尸(E,Ey,EJ与机载坐标系&二(x,y,z)下,以电机Ml方向为前方,旋翼电机Ml与M3逆时钟方向旋转,旋翼电机M2与M4顺时钟方向旋转;屮为飞行器偏航角,。为飞行器滚动角,e为飞行器俯仰角。在图中f\、f2、f3、仇分别为四旋翼旋转产生的向上拉力矢量,T".(i=l,2,3,4)为第i个电机为克服电机转轴叶片拉力与加速度而产生的反作用力矩,mg为飞行器合重力矢量,L是从电机轴到四旋翼飞行器匝心轴的垂直距离,则四旋翼飞行器总合力矢量U、偏航力矩5、滚动力矩T°和俯仰力矩J为:4M二工gi-1*i入i-l(3)丁0=1/2-申国国防科技翩(3)可知,如果以旋翼旋转产生的合拉力与飞行器自身重力相等,即u二0时,飞行器在空中悬停;当u>0时,飞行器上升;u〈0时,飞行器下降。在保持拉力心与仇不变条件下,通过控制合力f厂仇差的大小,飞行器可进行俯仰飞行(前进与后退)控制。当保持拉力仇与壮不变条件下,通过控制合力f2-f磋的大小,飞行器可进行滚转(左右)飞行;而通过控制偏航力矩T屮大小,飞行器可进行偏航飞行控制。:(1) 多控制面和推力矢量装置;(2) 多传感器,包括角速度率陀螺,加速度计,大气数据和惯性导航;(3) 多种扰动,包括大气扰