緒論多旋翼無(wú)人機(jī)遠(yuǎn)程控制實(shí)踐第1章01什么是多旋翼常見(jiàn)飛機(jī)分類(lèi)固體翼飛行器直升機(jī)多旋翼1)固定翼飛行器如圖1.2(a)所示，固定翼飛行器的機(jī)翼位置和后掠角等參數(shù)基本固定不變，民航飛機(jī)和戰(zhàn)斗機(jī)大多數(shù)都是固定翼飛行器。它們通常由推力系統(tǒng)產(chǎn)生前向的空速，進(jìn)而通過(guò)機(jī)翼產(chǎn)生升力來(lái)平衡飛行器的重力。基于這個(gè)原理，固定翼飛行器需要保持一定的前飛速度，因此很難垂直起降。與傳統(tǒng)的直升機(jī)相比，固定翼飛行器的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、載荷更大、飛行距離更長(zhǎng)而耗能更少，缺點(diǎn)是起飛和降落的時(shí)候一般需要跑道或彈射器。常見(jiàn)飛機(jī)分類(lèi)2)直升機(jī)如圖1.2(b)所示，直升機(jī)是一種由旋翼直接提供升力的旋翼飛行器。直升機(jī)有四個(gè)控制輸入，分別是周期變距桿、總距操縱桿、航向和油門(mén)。總距操縱桿控制旋翼的迎角(或攻角)。直升機(jī)的升力主要由總距操縱桿和油門(mén)控制，姿態(tài)由周期變距桿控制。由前面的介紹可知，直升機(jī)可以垂直起降，無(wú)須跑道或彈射器。與固定翼飛行器相比，直升機(jī)的續(xù)航時(shí)間更短，而且復(fù)雜的機(jī)械結(jié)構(gòu)會(huì)帶來(lái)很高的維護(hù)成本。常見(jiàn)飛機(jī)分類(lèi)3)多旋翼(Multicopter，Multirotor或Multirocopter)多旋翼可以視為一類(lèi)有三個(gè)或者更多螺旋槳的直升機(jī)，也具備垂直起降能力，最常見(jiàn)的是四旋翼，如圖1.2(c)所示。與直升機(jī)不同的是，多旋翼通過(guò)控制螺旋槳的轉(zhuǎn)速來(lái)實(shí)現(xiàn)拉力的快速調(diào)節(jié)。由于多旋翼結(jié)構(gòu)具有對(duì)稱(chēng)性，所以螺旋獎(jiǎng)之間的反扭矩可以相互抵消。多旋翼的結(jié)構(gòu)非常簡(jiǎn)單，由此具有各通道之間耦合弱、可靠性高和維護(hù)成本低等優(yōu)勢(shì)。常見(jiàn)飛機(jī)分類(lèi)無(wú)人駕駛飛機(jī)和航空模型飛機(jī)無(wú)人駕駛飛機(jī)無(wú)人駕駛飛機(jī)是由動(dòng)力驅(qū)動(dòng)、機(jī)上無(wú)人駕駛的航空器，簡(jiǎn)稱(chēng)“無(wú)人機(jī)”(UnmannedAerialVehicle，UAV)，軍事或民用領(lǐng)域常見(jiàn)的無(wú)人機(jī)包括無(wú)人直升機(jī)、無(wú)人飛艇、無(wú)人固定翼飛機(jī)等。的飛行可以通過(guò)機(jī)載電腦自動(dòng)控制，也可以由地面或其他平臺(tái)上的操縱人員(有時(shí)也稱(chēng)為駕駛員)遠(yuǎn)程控制。英文中有時(shí)也用“Drones”來(lái)表示無(wú)人機(jī)。本書(shū)中主要考慮微小型無(wú)人機(jī)。無(wú)人駕駛飛機(jī)和航空模型飛機(jī)航空模型航空模型在后文中簡(jiǎn)稱(chēng)“航模”，有時(shí)也稱(chēng)為“遙控飛行器”“遙控模型”。航模是一種有尺寸限制的、帶有或不帶有發(fā)動(dòng)機(jī)的、不能載人的飛行器，可以用于空中比賽.運(yùn)動(dòng)或者娛樂(lè)”。它也指無(wú)線控制航模或者無(wú)線控制飛行器。在整個(gè)飛行過(guò)程中，它必須位于飛行器操縱人員的視距內(nèi)。無(wú)人駕駛飛機(jī)和航空模型飛機(jī)航空模型從廣義的角度來(lái)講，“無(wú)人機(jī)”可以認(rèn)為是一個(gè)一般化的稱(chēng)謂，無(wú)人駕駛的飛行器都可以稱(chēng)為“無(wú)人機(jī)”，但“無(wú)人機(jī)”與“航模”之間也有一定的區(qū)別，具體總結(jié)如表1.1所示。02為什么選擇多旋翼1、多旋翼除了能夠由自駕儀自主控制飛行，還能由操作員通過(guò)地面站或者遙控器(對(duì)應(yīng)于信息與通信工程學(xué)科)進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。2、多旋翼本身涉及很多電子設(shè)備(對(duì)應(yīng)于電子科學(xué)與技術(shù)學(xué)科)。我們希望電子電路穩(wěn)定可靠，不受外界電磁輻射影響。3、多旋翼系統(tǒng)需要軟件環(huán)境來(lái)運(yùn)行控制算法(對(duì)應(yīng)于計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)科)，般需要實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)來(lái)提供軟件運(yùn)行環(huán)境并提供與機(jī)載硬件通信的接口。為什么選擇多旋翼4、在多旋翼設(shè)計(jì)上，需要考慮材料、布局和結(jié)構(gòu)(對(duì)應(yīng)于力學(xué)、機(jī)械工程學(xué)科),還要考慮動(dòng)力系統(tǒng)選型(對(duì)應(yīng)于力學(xué)、電氣工程學(xué)科)等。5、在狀態(tài)估計(jì)上需要考慮多個(gè)傳感器(如GPS、光電傳感器等)信號(hào)不同步、數(shù)據(jù)延遲以等問(wèn)題，最終魯棒且高性能地估計(jì)相應(yīng)狀態(tài)(對(duì)應(yīng)于儀器科學(xué)與技術(shù)學(xué)科)。6、多旋翼作為一個(gè)典型的閉環(huán)控制系統(tǒng)(對(duì)應(yīng)于控制科學(xué)與工程學(xué)科)，具有很多有趣的特性，例如它是一個(gè)不穩(wěn)定、非線性、欠驅(qū)動(dòng)和執(zhí)行器控制量受限系統(tǒng)。為什么選擇多旋翼為什么選擇多旋翼7、多旋翼價(jià)格便宜，飛行實(shí)驗(yàn)簡(jiǎn)單，可以較為容易地得到大量相關(guān)飛行數(shù)據(jù)，這也為多旋翼的健康評(píng)估提供了較好的基礎(chǔ)條件。多旋翼的上述特點(diǎn)可以為相應(yīng)學(xué)科方法測(cè)試提供看得見(jiàn)摸得著的實(shí)踐，特別是控制方面的實(shí)踐。無(wú)論從教育還是科研的角度來(lái)看，多旋翼系統(tǒng)都是一個(gè)非常好的研究對(duì)象。傳統(tǒng)飛行器開(kāi)發(fā)主要集中在航空航天院所，人力、財(cái)力、經(jīng)驗(yàn)與資源都比較充裕。為什么選擇多旋翼在開(kāi)放的市場(chǎng)以及日益激烈的競(jìng)爭(zhēng)環(huán)境下，相關(guān)創(chuàng)業(yè)公司面臨人員少、一肩挑、經(jīng)驗(yàn)少和資源少等問(wèn)題。這就要求核心工程師團(tuán)隊(duì)能夠同時(shí)掌握：機(jī)架的布局和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)計(jì)、健康評(píng)估和失效保護(hù)設(shè)計(jì)等理論知識(shí)，同時(shí)需要具備豐富的操作系統(tǒng)開(kāi)發(fā)、軟件編寫(xiě)調(diào)試以及實(shí)飛實(shí)驗(yàn)等實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。多旋翼這個(gè)平臺(tái)可以培養(yǎng)工業(yè)界需要的跨專(zhuān)業(yè)復(fù)合型人才，提升其軟件開(kāi)發(fā)能力、分析能力、算法設(shè)計(jì)能力、管理能力以及展示能力。03本書(shū)內(nèi)容簡(jiǎn)介實(shí)驗(yàn)二：濾波器設(shè)計(jì)具體實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)四：路徑跟隨控制器設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)一：系統(tǒng)辨識(shí)實(shí)驗(yàn)三：跟蹤控制器設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)五：避障控制器設(shè)計(jì)本書(shū)內(nèi)容簡(jiǎn)介01020304打開(kāi)例程，閱讀并運(yùn)行程序代碼，然后觀察并記錄分析數(shù)據(jù)。基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)在上述兩個(gè)實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，針對(duì)給定的任務(wù)，進(jìn)行獨(dú)立設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)讀者修改例程，運(yùn)行修改后的程序并收集和分析數(shù)據(jù)。分析實(shí)驗(yàn)在設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，針對(duì)給定的任務(wù)，進(jìn)行獨(dú)立設(shè)計(jì)并運(yùn)用于真實(shí)的多旋翼。實(shí)飛實(shí)驗(yàn)本書(shū)內(nèi)容簡(jiǎn)介本書(shū)內(nèi)容簡(jiǎn)介仿真階段總得來(lái)說(shuō)，實(shí)驗(yàn)可以劃分為兩個(gè)階段：仿真階段和實(shí)飛階段。仿真階段需要經(jīng)歷“仿真1.0→仿真2.0→硬件在環(huán)仿真”。仿真1.0采用的多旋翼模型是設(shè)計(jì)模型，而仿真2.0使用的是一個(gè)高保真的非線性模型。通過(guò)“系統(tǒng)辨識(shí)”實(shí)驗(yàn)，對(duì)仿真2.0使用的高保真非線性模型進(jìn)行系統(tǒng)辨識(shí)，可以得到傳遞函數(shù)模型，也稱(chēng)為設(shè)計(jì)模型。本書(shū)內(nèi)容簡(jiǎn)介實(shí)飛階段實(shí)飛階段需要經(jīng)歷“仿真1.0→實(shí)飛實(shí)驗(yàn)”。仿真1.0采用對(duì)真實(shí)多旋翼進(jìn)行“系統(tǒng)辨識(shí)”實(shí)驗(yàn)得到的設(shè)計(jì)模型，而實(shí)飛實(shí)驗(yàn)是在真實(shí)多旋翼上進(jìn)行的。在每個(gè)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)完成后，需要在MATLAB/Simulink中實(shí)現(xiàn)，并在搭建好的設(shè)計(jì)模型仿真平臺(tái)中進(jìn)行仿真測(cè)試。之后，讀者需要將通過(guò)仿真測(cè)試的控制器，應(yīng)用于真實(shí)的多旋翼。04工程教育認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)覆蓋介紹多旋翼設(shè)計(jì)和控制屬于復(fù)雜工程問(wèn)題，它完全覆蓋工程教育認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)所有內(nèi)容,下面選擇主要的幾點(diǎn)進(jìn)行說(shuō)明。(1)工程知識(shí)。多旋翼各類(lèi)需求的建模以及濾波、控制和決策算法設(shè)計(jì)可以體現(xiàn)“能夠?qū)?shù)學(xué)、自然科學(xué)、工程基礎(chǔ)和專(zhuān)業(yè)知識(shí)用于解決復(fù)雜工程問(wèn)題”。(2)問(wèn)題分析。多旋翼建模和算法設(shè)計(jì)以及調(diào)試可以體現(xiàn)“能夠應(yīng)用數(shù)學(xué)、自然科學(xué)和工程科學(xué)的基本原理，識(shí)別、表達(dá)、并通過(guò)文獻(xiàn)研究分析復(fù)雜工程問(wèn)題，以獲得有效結(jié)論”。工程教育認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)覆蓋介紹(3)設(shè)計(jì)/開(kāi)發(fā)解決方案。多旋翼整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)以及測(cè)試飛行可以體現(xiàn)“將能夠設(shè)計(jì)針對(duì)復(fù)雜工程問(wèn)題的解決方案，設(shè)計(jì)滿足特定需求的系統(tǒng)、單元(部件)或工藝流程”因?yàn)槎嘈砭哂形ｋU(xiǎn)性，需要使用者遵守相關(guān)法律法規(guī)，進(jìn)行合法測(cè)試和飛行，可以體現(xiàn)“并能夠在設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)中體現(xiàn)創(chuàng)新意識(shí)，考慮社會(huì)、健康、安全、法律、文化以及環(huán)境等因素”工程教育認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)覆蓋介紹(4)研究。多旋翼建模和算法設(shè)計(jì)可以體現(xiàn)“能夠基于科學(xué)原理并采用科學(xué)方法對(duì)復(fù)雜工程問(wèn)題進(jìn)行研究，包括設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)、分析與解釋數(shù)據(jù)，并通過(guò)信息綜合得到合理有效的結(jié)論”。(5)使用現(xiàn)代工具。在多旋翼系統(tǒng)開(kāi)發(fā)過(guò)程中，需要很多工具，這可以體現(xiàn)“能夠針對(duì)復(fù)雜工程問(wèn)題，開(kāi)發(fā)、選擇與使用恰當(dāng)?shù)募夹g(shù)、資源、現(xiàn)代工程工具和信息技術(shù)工具，包括對(duì)復(fù)雜工程問(wèn)題的預(yù)測(cè)與模擬并能夠理解其局限性”。工程教育認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)覆蓋介紹工程教育認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)覆蓋介紹(6)工程與社會(huì)。需要設(shè)計(jì)者有一定的創(chuàng)新能力，挖掘多旋翼的應(yīng)用場(chǎng)景。這能體現(xiàn)“能夠基于工程相關(guān)背景知識(shí)進(jìn)行合理分析，評(píng)價(jià)專(zhuān)業(yè)工程實(shí)踐和復(fù)雜工程問(wèn)題解決方案對(duì)社會(huì)、健康、安全、法律以及文化的影響，并理解應(yīng)承擔(dān)的責(zé)任”。工程教育認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)覆蓋介紹(7