高机动能力旋翼无人飞行器设计与控制

目录

第1 章绪论 1

1.1 研究背景及意义 1

1.1.1 研究背景 1

1.1.2 研究意义 2

1.2 国内外研究现状 3

1.2.1 过驱动多旋翼飞行器优化设计 4

1.2.2 飞行器姿态描述方法 11

1.2.3 多旋翼飞行器控制策略 12

1.2.4 多旋翼飞行器轨迹规划策略 16

1.3 研究内容及方法 18

第2 章多旋翼飞行器可控性评估 22

2.1 引言 22

2.2 多旋翼飞行器系统组成及运动机理 23

2.2.1 系统组成 23

2.2.2 运动机理 27

2.2.3 动力学建模 29

2.3 多旋翼飞行器可控性分析 30

2.3.1 转子旋转方向的影响 33

2.3.2 机臂旋转的影响 34

2.3.3 机臂倾斜的影响 35

2.4 多旋翼飞行器结构容错性分析 38

2.4.1 共面配置结构的容错性 38

2.4.2 非共面配置结构的容错性 41

2.5 本章小结 44

第3 章大角度机动矢量四旋翼飞行器及其5D 轨迹跟踪控制 45

3.1 引言 45

3.2 结构设计与运动机理分析 46

3.2.1 结构设计 46

3.2.2 运动模式分析 48

3.2.3 可控性分析 51

3.3 控制器设计 52

3.3.1 动力学模型 52

3.3.2 非线性模型预测控制 54

3.3.3 控制分配 57

3.4 实验验证 58

3.4.1 样机制作 58

3.4.2 倾转悬停测试 59

3.4.3 轨迹跟踪测试 61

3.4.4 地面行驶测试 63

3.5 本章小结 64

第4 章模块化可重构多旋翼飞行器及其6D 轨迹跟踪控制 66

4.1 引言 66

4.2 结构设计 68

4.2.1 双自由度倾转模组设计 68

4.2.2 拓扑结构分析 70

4.3 动力学模型 77

4.3.1 双自由度倾转模组 77

4.3.2 多旋翼飞行器动力学几何描述 79

4.4 控制器设计 80

4.5 仿真测试 83

4.5.1 双旋翼飞行器 83

4.5.2 过驱动四旋翼飞行器 84

4.5.3 全向飞行器 84

4.6 实验验证 86

4.6.1 样机实现 86

4.6.2 双自由度倾转模组测试 86

4.6.3 悬停测试 87

4.6.4 全向运动测试 89

4.7 本章小结 90

第5 章微型过驱动八旋翼飞行器碰撞恢复控制及其*优轨迹 91

5.1 引言 91

5.2 结构设计与运动机理分析 92

5.2.1 样机优化设计 93

5.2.2 动力学模型 99

5.3 控制器框架 99

5.3.1 姿态控制策略 100

5.3.2 外部力矩估计 102

5.4 “顺势而为”仿生三维碰撞恢复策略 102

5.4.1 碰撞恢复策略描述 102

5.4.2 “顺势而为”轨迹生成 104

5.4.3 实验验证 107

5.5 *优时间6D 轨迹生成算法 113

5.5.1 空间域轨迹生成 113

5.5.2 时间域轨迹生成 114

5.5.3 数值求解 116

5.5.4 实验验证 118

5.6 本章小结 123

第6 章新型同步倾斜转子六旋翼飞行器的设计与控制 124

6.1 引言 124

6.2 机械结构设计 125

6.3 系统建模与分析 127

6.3.1 动力学模型 127

6.3.2 飞行器分析与讨论 129

6.3.3 双锥可达集 130

6.4 全姿态几何控制 131

6.4.1 位置控制 132

6.4.2 姿态控制 133

6.4.3 控制分配 135

6.5 仿真测试 135

6.5.1 倾转悬停仿真实验 135

6.5.2 轨迹跟踪仿真实验 136

6.6 实验验证 136

6.6.1 样机制作 136

6.6.2 定点姿态倾斜实验 137

6.6.3 6D 轨迹跟踪实验 137

6.7 本章小结 140

第7 章结论与展望 141

参考文献 143

第1章 绪论

1.1研究背景及意义

1.1.1研究背景

多旋翼飞行器是无人飞行器领域中的一个重要分支，广泛地使用在农业生产、电力巡检、通信中继、气象观测、农业植保、影视航拍、执法取证、搜索救援、快递运送等领域 [1-6]。

近年来，随着微电子、人工智能、智能制造等技术的进步，无人飞行器行业也得到快速发展。中国是无人飞行器行业研发和应用的重要市场， 2020年无人飞行器实名登记超过 51万架。在中国无人飞行器应用中，民用无人飞行器占比超过 60%[7]。民用无人飞行器包括工业用无人飞行器和消费级无人飞行器， 2019年工业用无人飞行器占民用无人飞行器市场规模的 45.61%，并且此后继续扩大。中国无人飞行器已经从稳步发展阶段（ 1980~2012年）转向高速发展阶段（ 2013年至今），其中技术积累也从跟随模仿转向技术引领。在未来，开发出更加智能、安全可靠以及能满足更多应用场景的飞行平台是无人飞行器发展的必由之路。

相比于固定翼无人飞行器，多旋翼无人飞行器结构简单、操作方便，而且具备定点悬停的功能，极大地降低了对起飞场地的要求，可以很方便地被携带到工作区域执行任务。多旋翼飞行器的飞行要求满足安全、稳定、经济等重要指标，精准控制、安全避障是其基本特征。无人飞行器应用的不断深入，给飞行器的机动性能及安全可靠性提出了更高的要求。标准多旋翼飞行器单一的运动模式已经不能满足一些特殊场景的需求，具备多种运动模式的高机动飞行平台是提高生产力的有效手段 [8]。因此，具备新型功能的高机动多旋翼无人飞行器的研究迫在眉睫。

随着多旋翼飞行器应用范围的不断扩大，飞行器所面临的环境也更加复杂。为了能够实时、高速地检测飞行器周围的障碍物，高速相机、红外传感器、雷达等应用到飞行器上。在三维空间中要实现更加安全地飞行，需要在飞行器的六个面上都配置高精度传感器 [9，10]，这使得飞行器需要搭载的传感器数量非常多，不仅增加了起飞重量，高能耗的传感器也增加了飞行器的能量消耗。然而，在面对飞鸟及其他不明飞行物时，现有的方法也不能完全保证飞行器的安全 [11]。为此，研究容错能力强、响应速度快的高机动飞行器对提升飞行器的安全性是极其必要的。

1.1.2研究意义

本书针对多旋翼飞行器目前存在的机动性和安全性等主要问题展开研究，研究意义可以归纳为以下四个方面：

(1)多旋翼飞行器可以大致划分为三大类，即标准多旋翼飞行器、倾转矢量多旋翼飞行器和转子非共面配置多旋翼飞行器。多旋翼飞行器的飞行动力取决于转子的数量和安装拓扑。标准多旋翼飞行器所有的转子均匀分布在一个平面上，因其结构简单、维护方便而被大量使用。倾转矢量多旋翼飞行器和转子非共面配置多旋翼飞行器转子固定位置可能是平面的，也可能是三维的，具备更加灵活的控制和机动能力。因此，为了增强标准多旋翼飞行器的容错、抗风等性能，通常会采取倾转结构或者转子非共面配置的思路来对标准多旋翼飞行器的结构进行优化。不同的机体构造结构和转子配置方案，不仅会影响飞行器的载荷、续航能力，而且决定了飞行器的容错能力。因此，研究一种标准统一的多旋翼飞行器的可控性评估方法，对于优化多旋翼飞行器结构的容错能力、合理选择符合实际任务需求的飞行平台有重要意义。

(2)标准结构的多旋翼飞行器是一个欠驱动系统，位置控制与姿态控制相互耦合。这种固有的结构限制使得机载传感器姿态的*立调节必须依赖云台。过驱动飞行器是指飞行器的姿态和位置能够*立控制的一类飞行器，飞行器的旋转动力学性能和平移动力学性能是相互解耦的。过驱动飞行器的特点是能够*立地输出六个自由度的推力和力矩，彼此之间不会影响。因此，相比于标准多旋翼飞行器，过驱动飞行器的抗干扰能力更强，容错能力也更强。研究过驱动飞行器对提升多旋翼飞行器的机动能力，实现飞行器更加灵活的控制具有重要意义。

(3)旋翼飞行器工作的场景是复杂的三维空间，面临不明飞行物体碰撞的风险，也可能碰撞到空间中的障碍物。通常，旋翼飞行器自身装备了机载计算机系统和传感系统（雷达、摄像头），可以检测到比较大的障碍物，如墙壁、行人等，但是很难有效避开线缆等细小的障碍物与飞鸟等高速运动的障碍物。因此，研究旋翼机器人的碰撞恢复策略以及应对三维空间任意方向冲击的控制策略，对提升多旋翼飞行器在未知环境及非结构环境中的安全性有重要意义。

(4)多旋翼飞行器传统的姿态控制策略中，采用欧拉角对飞行器的旋转进行参数化，用分离的目标角分别控制飞行器的偏航、横滚、俯仰三个旋转自由度，使无人飞行器旋转线性化。这种方法忽略了刚体旋转的流形结构。三维空间属于特殊正交群 SO(3)，当多旋翼飞行器在三维空间旋转时，飞行器实际上是在 SO(3)上从一个点移动到另一个点。 SO(3)上的所有运动都必须考虑流形结构作为速度约束，平滑的运动轨迹是*优的。然而，偏航、横滚、俯仰角的单*控制仅是 SO(3)的局部近似，导致旋转轨迹非光滑。近年来对多旋翼飞行器的应用水平要求越来越高，尤其是一些具备大角度机动能力的飞行器被研究出来，采用这种方法已经不能满足实际需求。因此，研究飞行器在 SO(3)空间中的全局描述模型，实现飞行器在 SO(3)空间上的全局稳定控制，对实现飞行器大角度机动能力有重要意义。

1.2国内外研究现状

多旋翼飞行器的发展，*早可以追溯到 1408年，达？芬奇在他的一份手稿中完整地描述了多旋翼飞行器的概念 [12]，如图 1.1(a)所示。需要指出的是，在达？芬奇构造多旋翼飞行器的概念之前，中国已经出现了竹蜻蜓 [13]，如图 1.1(b)所示。现代多旋翼飞行器的飞行原理与竹蜻蜓的飞行原理是一样的，高速旋转的螺旋桨在旋转过程中切割空气，桨叶的特殊形状，会使得螺旋桨桨叶上侧的空气流速大于桨叶下侧的空气流速，这样就会形成一个压力差，产生垂直向上的推力。

图1.1多旋翼飞行器的萌芽概念

1907年 9月 29日，**架实现垂直起降的多旋翼飞行器在查尔斯？里歇 (Charles Richet)教授的带领下，由布雷盖 (Breguet)兄弟成功试飞。这架名为布雷盖 –里奇特旋翼机一号的飞行器只能通过驾驶员调控油门来控制，只有一个运动自由度。但是这架飞行器给世人展示了一种全新的飞行平台，尤其对军队产生了极大的吸引力。因此，在美国军方的支持下，飞行器设计师乔治？波札特 (George de Bothezat)于 1922年 12月 18日成功试飞了名为波札特直升机的四旋翼飞行器。这架飞行器是**架人类实现完全可控的多旋翼飞行器，因此也被爱迪生称为“**架成功的直升机飞行器”。1921年 2月 18日，法国飞行器设计师艾蒂安？奥米西恩 (étienne Oehmichen)也成功试飞了奥米西恩飞行器。

由于旋翼飞行器在垂直起降以及定点悬停方面的突出特点，在之后的一段时间内，科学家为了实现多旋翼飞行器的载人以及大负载应用而努力。比较有代表性的有： 1956年试飞成功的转换翼模型 A (Convertawings Model A)四旋翼飞行器，*大能够以 4.9t的负载达到 278km/h的飞行速度 [14]，如图 1.2(a)所示； 1958年试飞成功的四旋翼飞行器 VZ-7[15]，相比于转换翼模型 A (Convertawings Model A)，在操控性以及机动能力方面有了大幅度进步，如图 1.2(b)所示。但是这段时间自转旋翼机和单旋翼直升机的研究取得巨大进步，已经能逐渐满足军方的实际应用，所以关于大载荷多旋翼飞行器的研究及开发工作一度进入发展缓慢的时期。

图1.2多旋翼飞行器初期研究成果

随着微机电传感器、控制技术、材料技术、智能制造等技术的发展，多旋翼飞行器小型化制造成为可能，应用前景也逐渐明朗，因此小型多旋翼无人飞行器逐渐得到研究者的青睐，众多研究机构也开始了小型多旋翼飞行器安全飞行技术、智能导航、编队控制等新技术的开发。

本节分别从新型过驱动多旋翼飞行器和多旋翼飞行器的控制技术两个方面介绍多旋翼飞行器的研究现状及未来发展方向。

1.2.1过驱动多旋翼飞行器优化设计

组成多旋翼的所有转子都固定在同一个平面上，所有转子提供的推力相互之间是平行的，将这种配置结构的多旋翼飞行器称为标准多旋翼飞行器。目前多旋翼主流的应用方案，如大疆 M200[16]、极飞植保无人飞行器 M200K[17]、亿航载人无人飞行器 [18]等都属于标准多旋翼飞行器配置结构。标准的多旋翼飞行器因其结构简单、维护方便，得到广泛使用。目前对标准多旋翼机体的研究主要集中在优化机体结构，来实现更长的续航时间和更稳定的控制效果。标准的多旋翼飞行器是一种欠驱动系统，平移运动与旋转运动是耦合的 [19]。为了弥补标准多旋翼飞行器这种固有的不足，常常搭配云台来使用，用于调整所搭载传感设备的视角 [20]。

标准多旋翼的欠驱动特性影响了其在更广阔领域的进一步应用，如物理交互、高空操控等。为此，开发全驱动或者过驱动的多旋翼飞行器在提升多旋翼飞行器飞行安全、物理交互应用以及大角度机动性能等方面有着重要的作用 [21]。过驱动多旋翼飞行器的主要特征在于组成多旋翼的转子能够产生 3个方向*立可控的推力和3个*立控制的力矩。转子的数量N以及转子的空间分布位置决定了控制分配矩阵。通过设计控制分配策略就可以将转子产生的推力向量映射到控制推力F和力矩M上，即。

过驱动多旋翼满足 rank(B)=6。控制分配矩阵满秩，意味着飞行器能够*立产生 6个自由度的推力和力矩。目前，设计过驱动多旋翼飞行器主要有两个思路：①倾转结构方案，利用附加的伺服舵机来改变转子产生的推力的方向，使之变成矢量推力来驱动多旋翼的运动；②.转子非共面配置方案，每个转子的朝向以及固定位置相对机体是固定的，但是每个转子有个特定的朝向。不同的设计方案会导致控制分配矩阵 B不同，对于倾转结构，控制分配矩阵中含有未知的倾转角；对于固定转子非共面配置方案，控制分配矩阵 B中所有的量都是常数。因此，设计过驱动多旋翼飞行器的过程，就是优化控制分配矩阵 B的过程。

1.倾转结构多旋翼

使用倾转结构的过驱动多旋翼飞行器是通过伺服舵机来给转子增加一个或者两个额外的自由度，来产生水平方向的分力 [22-28]。文献 [23]通过在机臂末端固定一个和轴平行旋转的伺服舵机来驱动转子绕机臂轴旋转，旋转角度为，如图 1.3(a)所示。四个这种配置的机臂均匀分布在机身周围，组成了一个过驱动的四旋翼飞行器，具备在三维空间中跟踪任意轨迹的能力。为了发挥过驱动飞行器的特性，基于反馈线性化算法设计了轨迹跟踪策略，用于飞行器的姿态控制和轨迹跟踪。控制分配矩阵 B(α)中含有变量 α，因此四个具备单子自由度的转子就可以组成一个过驱动的多旋翼飞行器。

文献 [23]提出的过驱动多旋翼模型，理论上能够产生任意方向的推力和力矩，但是当飞行器的机体绕任意轴旋转 90.以后，飞行器的机体姿态控制将会变得非常困难，飞行器的可控性将会急速下降。文献 [24]利用单个舵机和蜗杆传动来改变转子方向，并产生水平方向的分力，如图 1.3(b)所示。为了保证飞行器在绕机体轴线旋转过程中，飞行器都能保持较高的可控度，文献 [25]提出了一种 6个倾斜转子的过驱动多旋翼模型，如图 1.3(c)所示。在机臂的末端固定一个同机臂轴平行旋转的伺服舵机来调整转子推力的方向，其控制分配矩阵 B(α) ∈ R6×6也是满秩的。 6个转子飞行器的可控性和容错性都比 4个转子的飞行器高。特别地，文献 [25]设计的倾转六旋翼飞行器在空中实现了 360.的全向旋转机动动作。此类飞行器也称为全向飞行器。全向飞行器在封闭空间内部巡检以及高空接触检测方面，都具备特殊的优势。

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多旋翼无人飞行器技术发展迅速，应用广泛，在生产和生活中发挥着日益重要的作用。传统旋翼无人飞行器具有欠驱动特性，其平移和旋转运动存在强耦合，限制了飞行器的机动性能；在高机动能力、高容错和抗扰能力要求的应用场合，非平面配置的多旋翼无人飞行器正获得越来越多的重视。《高机动能力旋翼无人飞行器设计与控制》从多种新形态旋翼无人飞行器的结构特点入手，阐述其运动和动力学建模、可控性评估、控制率分配和控制策略设计，由物理概念拓展到较深入的非线性系统分析和控制理论，《高机动能力旋翼无人飞行器设计与控制》由浅入深、循序渐进，便于读者理解。