1、四旋翼無人飛行器控制技術四旋翼無人飛行器控制技術1、自動控制系統的預備知識、自動控制系統的預備知識2、四旋翼飛行器概述、四旋翼飛行器概述3、飛行原理、飛行原理4、四軸飛行器組成、四軸飛行器組成5、控制方法、控制方法在沒有人直接參與的情況下，利用外加的設備或裝置（稱為控制裝置或控制器），使機器、設備或生產過程（通稱被控對象）的某個工作狀態或參數（即被控量）自動地按照預定的規律運行。自動控制自動控制自數控機床、室內溫度控制、機車、船舶及飛機自動駕駛、導彈制導等等。應用領域應用領域人工控制恒溫箱過程人工控制恒溫箱過程 觀察恒溫箱內的溫度（被控制量） 與要求的溫度（給定值）進行比較。得到溫度偏差的大小

2、和方向 根據偏差大小和方向調節調壓器，控制加熱電阻絲的電流以調節溫度回復到要求值。 檢測偏差再糾正偏差恒溫箱自動控制系統框圖恒溫箱自動控制系統框圖恒溫箱自動控制系統工作原理恒溫箱自動控制系統工作原理恒溫箱實際溫度由熱電偶轉換為對應的電壓恒溫箱實際溫度由熱電偶轉換為對應的電壓u2恒溫箱期望溫度由電壓恒溫箱期望溫度由電壓u1給定，并與實際溫度給定，并與實際溫度u2比較得到溫度偏差信號比較得到溫度偏差信號u=u1-u2溫度偏差信號經電壓、功率放大后，用以驅動執溫度偏差信號經電壓、功率放大后，用以驅動執行電機，并通過傳動機構拖動調壓器動觸頭。當行電機，并通過傳動機構拖動調壓器動觸頭。當溫度偏高時，動觸

3、頭向減小電流的方向運動，反溫度偏高時，動觸頭向減小電流的方向運動，反之加大電流，直到溫度達到給定值為止，此時，之加大電流，直到溫度達到給定值為止，此時，偏差偏差u=0，電機停止轉動。，電機停止轉動。恒溫箱自動控制系統功能框圖恒溫箱自動控制系統功能框圖從恒溫箱控制系統功能框圖可見從恒溫箱控制系統功能框圖可見給定量位于系統的輸入端，稱為系統輸入量。也給定量位于系統的輸入端，稱為系統輸入量。也稱為參考輸入量（信號）稱為參考輸入量（信號）被控量位于系統的輸出端，稱為系統輸出量。被控量位于系統的輸出端，稱為系統輸出量。輸出量（全部或一部分）通過測量裝置返回系統輸出量（全部或一部分）通過測量裝置返回系統的

4、輸入端，使之與輸入量進行比較，產生偏差（的輸入端，使之與輸入量進行比較，產生偏差（給定信號與返回的輸出信號之差）信號。輸出量給定信號與返回的輸出信號之差）信號。輸出量的返回過程稱為反饋。返回的全部或部分輸出信的返回過程稱為反饋。返回的全部或部分輸出信號稱為反饋信號。號稱為反饋信號?？刂葡到y的工作原理控制系統的工作原理檢測輸出量（被控制量）的實際值檢測輸出量（被控制量）的實際值將輸出量的實際值與給定值（輸入量）進將輸出量的實際值與給定值（輸入量）進行比較得出偏差；行比較得出偏差；用偏差值產生控制調節作用去消除偏差，用偏差值產生控制調節作用去消除偏差，使得輸出量維持期望的輸出使得輸出量維持期望的輸

5、出由于存在輸出量反饋，上述系統能在存在由于存在輸出量反饋，上述系統能在存在無法預計擾動的情況下，自動減少系統的無法預計擾動的情況下，自動減少系統的輸出量參與輸入量（或者任意變化的希望輸出量參與輸入量（或者任意變化的希望的狀態）之間的偏差，故稱之為反饋控制的狀態）之間的偏差，故稱之為反饋控制顯然：反饋控制建立在偏差基礎上，其控顯然：反饋控制建立在偏差基礎上，其控制方式是制方式是“檢測偏差再糾正偏差檢測偏差再糾正偏差”這種基于反饋原理，能對輸出量與參考輸這種基于反饋原理，能對輸出量與參考輸入量進行比較，并力圖保持兩者之間既定入量進行比較，并力圖保持兩者之間既定關系的系統。稱為反饋控制系統，反饋控關

6、系的系統。稱為反饋控制系統，反饋控制系統具有量測、比較和執行三個基本功制系統具有量測、比較和執行三個基本功能能注意注意反饋控制系統中，反饋信號是與給定信號反饋控制系統中，反饋信號是與給定信號相減，使偏差越來越小，稱為負反饋。負相減，使偏差越來越小，稱為負反饋。負反饋控制是實際自動控制最基本的方法。反饋控制是實際自動控制最基本的方法。閉環控制系統：按偏差進行控制，較高的動靜態控制性能；結構、線路復雜，系統分析與設計較復雜。開環控制系統（順序控制）：系統輸出量對系統的輸入量不產生影響，結構簡單、調整方便、成本低自動控制系統的基本形式（根據有無反饋）自動控制系統的基本形式（根據有無反饋）優勢優勢垂直

7、起降垂直起降懸停、倒飛、側飛能力懸停、倒飛、側飛能力螺旋槳小，飛行安全螺旋槳小，飛行安全結構簡單，控制靈活結構簡單，控制靈活四旋翼結構圖用途用途國際四旋翼無人直升機研究方向國際四旋翼無人直升機研究方向基于慣性導航的自主飛行控制基于慣性導航的自主飛行控制基于視覺導航的自主飛行控制基于視覺導航的自主飛行控制多智能體群控制多智能體群控制3、四旋翼飛行原理（以、四旋翼飛行原理（以MK為例）為例） 四軸飛行器有四個電機呈十字形排開，驅動四片四軸飛行器有四個電機呈十字形排開，驅動四片槳旋轉產生推力。四電機距幾何中心距離相等，槳旋轉產生推力。四電機距幾何中心距離相等，對角兩軸產生升力相同時保證力矩平衡對角兩

8、軸產生升力相同時保證力矩平衡 四電機一對正轉，一對反轉使得豎直軸方向旋轉四電機一對正轉，一對反轉使得豎直軸方向旋轉的反扭矩平衡，保證四軸航向的穩定。的反扭矩平衡，保證四軸航向的穩定。3、四旋翼飛行原理（以、四旋翼飛行原理（以MK為例）為例） Mk規定四軸電機的排布方式如圖示：前（規定四軸電機的排布方式如圖示：前（1號）號）、后（、后（2號）、右（號）、右（3號）、左（號）、左（4號）。號）。1,2號電號電機順時針方向旋轉，機順時針方向旋轉，3,4號電機逆時針旋轉。號電機逆時針旋轉。四個電機的轉速做相應的變化即可實現四軸四個電機的轉速做相應的變化即可實現四軸 橫向橫向、縱向、豎直方向和偏航方向上

9、的運動。、縱向、豎直方向和偏航方向上的運動。3、四旋翼飛行原理（前方運動）、四旋翼飛行原理（前方運動） 前方運動前方運動：3,4號號電機保持電機保持轉速不轉速不變，變，1號號電機轉速電機轉速下下降降，2號號電機轉速電機轉速上升上升，此時，此時2號電機產生的升力大號電機產生的升力大于于1號電機的升力，四軸沿幾何中心向前傾轉，槳葉號電機的升力，四軸沿幾何中心向前傾轉，槳葉升力沿升力沿縱向縱向的分力驅動四軸向前運動。的分力驅動四軸向前運動。3、四旋翼飛行原理（左轉）、四旋翼飛行原理（左轉） 轉左轉左：1,2號號電機保持電機保持轉速上升轉速上升，3,4號號電機轉速電機轉速下降下降，使向左的反扭矩大于向

10、右的反扭矩，四軸在反扭，使向左的反扭矩大于向右的反扭矩，四軸在反扭矩的作用下向左旋轉。矩的作用下向左旋轉。3、四旋翼飛行原理（左轉）、四旋翼飛行原理（左轉） 四個槳產生的推力，超過或者低于四軸本身重力的四個槳產生的推力，超過或者低于四軸本身重力的時候能夠實現豎直方向上升與下降的運動，當槳的時候能夠實現豎直方向上升與下降的運動，當槳的升力與四軸本身的重力相等的時候即實現懸停。升力與四軸本身的重力相等的時候即實現懸停。4、MK版四軸飛行器組成版四軸飛行器組成 一個飛控板，四個無刷電機電調、四個無刷電機一個飛控板，四個無刷電機電調、四個無刷電機、一對正槳，一對反槳，一個機身，一塊鋰電（、一對正槳，一對反槳，一個機身，一塊鋰電（34節），一套大于等于節），一套大于等于4通道的遙控器和接收機通道的遙控器和接收機5、控制方法、控制方法 四旋翼無人飛行器控制系統簡圖四旋翼無人飛行器控制系統簡圖 關鍵技術關鍵技術最優化總體設計最優化總體設計 設計原則：重量輕、尺寸小、速度快、能耗低設計原則：重量輕、尺寸小、速度快、能耗低動力與能源動力與能源 提高動力裝置效率，采用高效能源提高動力裝置效率，采用高效能源數學模型的建立數學模型的建立飛行控制飛行控制 研制可以精確控制飛行器姿態，并且具有抗干研制可以精確控制飛行器姿態，并且具有抗干擾能力強和環境自適應能力強的姿態控制器擾能力強和環境自適應能力強的姿態控