无人机发展现状研究论文

无人机控制系统研究现状摘要：介绍了目前无人机常用控制方法；描述无人机控制系统的系统组成、结构及相关硬件组成；对X型四旋翼无人机做了合理假设以及受力分析，推导并建立了X型四旋翼无人机全面的动力学数学模型，考虑了无人机平动、转动空气阻力，并且将转子、螺旋桨和机体看成多刚体系统。在机体坐标系下推导了电动机转子动力学方程。在Solidworks软件中，建立了无人机实物模型以获得无人机惯性参数。采用四元数进行姿态解算从而避免产生奇点。直接以四元数作为反馈控制量，设计出多通道双回路矢量PD控制系统。最后以Matlab/Simulink为平台，分别对四元数反馈控系统和欧拉角反馈控制系统进行对比控制仿真。从仿真结果来看，这两种反馈模式都能对无人机模型进行位置、姿态跟踪等控制，但是四元数反馈控制系统具有过渡时间短、计算量少以及无奇点产生的优点。关键词：控制方法；X型四旋翼；多刚体系统；四元数；PDResearchStatusOfUAVControlSystemAbstract:Thecommoncontrolmethodsofunmannedaerialvehicle(UAV)areintroduced.Thesystemcomposition,structureandrelatedhardwarecompositionofUAVcontrolsystemaredescribedsAcomprehensivekineticmodelofX-typequadrotorisestablishedandsimulated,themodeltreatsrotors,propellersandtheaircraftbodyasamulti-rigid-bodysystem.Toavoidappearingsingularityusingquaternionforattitudecalculation.Amulti-channel-double-loopvectorPDflightcontrollerbasedonquaternionfeedbackisdesigned.Theclose-loopsystemissimulatedonMatlab/Simulink,theinertialparametersareextractedfromSolidworksdesigndata.Comparisonofsimulationresultsbetweenquaternionfeedbackcontrollerandeulerfeedbackcontrolleraremade,shortertransitiontime,lesscalculationandnon-singularityisobservedduringsimulation..Keywords:ControlMethods;X-typeQuadrotor;Multi-rigid-bodysystem;Quaternion;PD0引言无人驾驶飞机简称“无人机”，是利用无线电遥控设备和程序控制装置操纵的无人飞机。机上没有驾驶舱，但安装有自动驾驶仪、程序控制装置等设备。地面、舰艇上或母机遥控站人员通过雷达等设备，对其进行跟踪、定位、遥控、遥测和数字传输。可在无线电遥控下像普通飞机一样起飞或用助推火箭发射升空，也可由母机带到空中投放飞行。回收时，可用与普通飞机着陆过程一样的方式自动着陆，也可通过遥控用降落伞或拦网回收。可反覆使用多次。广泛用于空中侦察、监视、通信、反潜、电子干扰等。目前国内外学者基于所建立的十字型微小型四旋翼无人机数学模型[1]，提出了多种控制算法，做出了多种尝试。精确地四旋翼无人机数学模型对控制算法实际应用具有重大的指导意义。然而在对无人机建模时，一些文献忽略飞行过程中空气阻力的影响；另一些文献则认为在小角度情况下认为欧拉角速度等于机体角速度[2][3]。而最主要的是，大多数文献将无人机看成完全对称的单刚体并且没有考虑电机角加速度的影响，这种对称简化弱化了无人机三维转动之间的耦合以及螺旋桨转子的陀螺效应；从而降低了控制器的控制性能。本文将机体、电机转子以及螺旋桨看成多刚体系统，在SolidWorks软件中建立X型四旋翼无人机三维实物模型，并从中获取其惯性参数。从刚体动力学原理出发建立了较为全面的无人机数学模型。用四元数进行姿态解算，设计了四元数反馈模式矢量PD控制系统。成功实现对四旋翼无人机的位置、姿态的控制。1无人机的及系统组成与功能[4]1.1无人机的定义无人机是一种由动力驱动、机上无人驾驶的航空器。1.2无人机的系统组成与功能无人机系统由无人机平台、任务载荷、数据链、指挥控制、发射与回收、保障与维修等分系统组成，各分系统组成和功能如下：①无人机平台分系统：包括机体、动力装置、飞行控制与导航子系统等；无人机平台分系统是执行任务的载体，它携带任务载荷，飞行至目标区域完成要求的任务。②任务载荷分系统：信息支援、信息对抗、火力打击等；任务载荷分系统完成要求的信息支援、信息对抗、火力打击等任务。③数据链分系统：无线电遥控/遥测设备、信息传输设备、中继转发设备等；数据链分系统通过上行信道，实现对无人机的遥控；通过下行信道，完成对无人机飞行状态参数的遥测，并传回任务信息。④指挥控制分系统：飞行操纵设备、综合显示设备、飞行航迹与态势显示设备、任务规划设备、记录与回放设备、情报处理与通信设备、与其它任务载荷信息接口等；指挥控制分系统完成指挥，作战计划制定，任务数据加载，无人机地面和空中工作状态监视和操纵控制，以及飞行参数、态势和任务数据记录等任务。⑤发射与回收分系统：与发射(起飞)和回收(着陆)有关的设备或装置，如发射车、发射箱、弹射装置、助推器、起落架、回收伞、拦阻网等；发射与回收分系统完成无人机的发射(起飞)和回收(着陆)任务。⑥保障与维修分系统：基层级保障维修设备，基地级保障维修设备等。保障与维修分系统主要完成无人机系统的日常维护，以及无人机的状态测试和维修等任务。2无人机常用控制方法主要的控制算法有：经典PID、非线性PID、自抗扰控制、模糊控制、鲁棒控制等。在缩短系统响应时间，提高系统稳定性等方面取得了相应的成果。3无人机飞控硬件组成①主处理控制器。主要有通过型处理器(MPU)、微处理器(MCU)、数字信号处理器(DSP)。随着FPGA技术的发展，相当多的主处理器将FPGA和处理器成功能强大的主处理控制器。②二次电源。二次电源是飞控计算机的一个关键部位。飞控计算机的二次电源一般为5V、±15V等直流电源电压，而无人机的一次电源根据型号不同区别较大，要对一次电源根据不同型号不同区别较大，要对一次电源进行变换。现在普遍使用集成开关电源模块。③模拟量输入/输出接口。模拟量输入接口电路将各传感器输入的模拟量进行信号调整、增益变换，模/数(A/D)转换后，提供给微处理器进行相应的处理。模拟信号一般可分为直流模拟信号和交流调制信号两类。模拟量输出接口电路用于将数字控制信号转换为伺服机构能识别的模拟控制信号，包括模/数转换、幅值变换和驱动电路。④离散量接口。离散量输入电路用于将飞控计算机内部及外部的开关量信号变换为与微处理器工作电平兼容的信号。3⑤通信接口。用于将接受的串行数据转换为可以让主处理器读取的数据或将主处理器要发送的数据转换为相应的数据。飞控计算机和传感器之间可以通过RS232/RS422/RS485或ARINC429等总线方式通信，随着技术的不断发展，1553B总线等其他总线通信方式也将应用到无人机系统中。⑥余度管理。无人机余度类型飞控计算机多为双余度配置。余度支持电路用于支持多余度机载计算机协调运行，包括：通道计算机间的信息交换电路，同步指示电路，通道故障逻辑综合电路及故障切换电路。通道计算机间的信息交换电路是两个通道飞控计算机之间进行共享信息传递的信息通路。同步指示电路是同步运行的余度计算机之间相互同步的支持电路。通道故障逻辑综合电路将软件监控和硬件监控电路的监控结果进行综合，他的输出用于故障切换和故障指示。⑦加温电路。通常用于工作环境超出工业品级温度范围的飞控计算机当中，以满足加温电路所需功率和加温方式的需求。⑧检测接口。飞控计算机应留有合适的接口，方便与一线检测设备、二线检测设备连接。⑨飞控计算机机箱。它直接影响计算机抗恶劣环境的能力以及可靠性、可维护性、使用寿命。4四旋翼无人机动力模型[5]4.1模型说明图1无人机结构简图及受力分析如图1四旋翼无人机结构简图。首先我们做如下假设说明：①取地面坐标系为惯性坐标系i(以下简称i系)，重力加速度g取固定值；机体坐标系b(以下简称b系)固连于机身，重心与原点重合；②不考虑地球自转及公转影响及螺旋桨挥舞特性；xbybzb0xiyizi0Γd2Γd1Γd3Γd4Ft3Ft2Ft1Ft4Mgfτ③把机体和无刷电机转子视为刚体，螺旋桨视为与实际质量相等的均质等厚度圆盘刚体。在b系中，每个电机转子和螺旋桨看成一个整体，对其质心的惯量张量为Icr，机体对原点的总惯量张量为I；④考虑到i系下机体迎风面的不对称性对空气阻力的影响。假设平动空气阻力大小与b系中速度vb成正比；转动空气阻力矩大小与b系中机体角速度Ωb成正比；⑤姿态四元数q=(q0q1q2q3)，则从b系到i系的坐标转换矩阵为：222201231203130222221203012323012222130213010123222222qqqqqqqqqqqqRqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqq4.2受力分析如图1所示，四旋翼无人机受力分析：①重力：Mg，方向沿zi轴负方向；②平动空气阻力：f=γtvb,γt为平动空气阻力系数，方向与vb方向相反；③转动空气阻力矩：τ=γrΩb,γr为转动空气阻力系数，方向与Ωb方向相反；④螺旋桨推力：Ftj,大小Ftj=kωj2,j=1,2,3,4；k为螺旋桨升力系数，方向沿zb轴正方向；⑤螺旋桨阻力矩：Γdj，其大小Γdj=αωj2,j=1,2,3,4；α为螺旋桨阻力系数，方向与螺旋桨角速度方向相反[3]。4.3动力学方程由牛顿第二定律得平动方程为：42100100TitjjxRyRRvMMzgk(1)式中，TiRv表示b系下速度，()TitRv表示b系下的平动空气阻力大小，(())TitRRv表示i系下的平动空气阻力大小。由角动量定理及哥氏定理有转动方程：5411111bbbbcrjcrjjbbbIIIIIIIMM(2)合外力矩：222212342222r1234222212340.50.5bbakMak(3)其中：电机角速度矢量：1122334400,00,00,00bbbb4.4无刷电机方程无刷电机电压方程[1]：1esjdiLuRiKdt(4)以螺旋桨转子为研究对象。螺旋桨转子以角速度bbj绕其质心做定点转动。由角动量定理及哥氏定理有：bbbbbbcrjcrjrIIM(5)由于00crIdiagJJJ。等式(8)左边第二项的第三个分量为0。取出上式第三个分量：12121,32,4jjmjjjmjrJKifjrJKifj(6)000brqrpqp其中：Ki为电磁转矩，mjf为粘滞摩擦阻力矩。根据以上数学公式在Matlab/Simulink中建立X型四旋翼无人机动力模型和无刷电机模型。4.5模型参数图2无人机Solidworks模型为了获得无人机的惯性参数，在Solidworks软件中建立X型四旋