第15頁共15頁旋翼飛機(jī)發(fā)展的系統(tǒng)方法杰弗里·坎貝爾RMC加拿大Kingstons25184@rmc.ca杰里米·漢密爾頓RMC加拿大Kingstonsm0962@rmc.ca穆罕默德IskandaraniRMC加拿大Kingstons25492@rmc.ca悉尼Givigi小RMC加拿大Kingstonsidney.givigi@rmc.ca摘要：本文討論了一個旋翼飛機(jī)自動駕駛儀的設(shè)計和實施。無人駕駛飛行器（UAV）正變得越來越重要，在監(jiān)視行動。隨著越來越多的飛機(jī)在一個地點(diǎn)工作，他們利用大量的通信帶寬。提供無人機(jī)具有一定的自主權(quán)，緩解這個問題。我們的自動駕駛儀設(shè)計允許無人機(jī)起飛，中轉(zhuǎn)，同時接收從一個位置到另一個位置數(shù)據(jù)的飼料，和土地在所需的位置。從的OptiTrack光學(xué)陣列得到的位置數(shù)據(jù)，以模擬一個GPS飼料被輸送到旋翼。此系統(tǒng)的最終應(yīng)用能夠操作多個自治飛機(jī)在演唱會中，為了研究他們的行為和交互。關(guān)鍵詞：旋翼直升機(jī)自動駕駛儀;線性二次調(diào)節(jié);無人駕駛

引言本文探討了采用系統(tǒng)工程方法為旋翼無人機(jī)飛機(jī)的自動駕駛控制器的開發(fā)和實施。四旋翼飛行器通過使用兩套反向旋轉(zhuǎn)的螺旋槳在飛如圖1。圖1螺旋槳的運(yùn)動由推進(jìn)器產(chǎn)生的向下的力提供到飛機(jī)框架的電梯。創(chuàng)建的標(biāo)題轉(zhuǎn)矩，由螺旋槳的第一組被取消標(biāo)題由第二組的扭矩導(dǎo)致在運(yùn)動中性框架。是通過傾斜的飛機(jī)產(chǎn)生的力（運(yùn)動），在期望的方向在圖中的x或y方向的位置移動如圖2。圖2合力傾斜是通過一個轉(zhuǎn)子的速度降低，同時增加了轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速沿同一軸線上，以補(bǔ)償失去的升降機(jī)。為四轉(zhuǎn)子的狀態(tài)方程，制定基于對身體的飛機(jī)本身所產(chǎn)生的力量。1.1旋翼動力學(xué)方程其中g(shù)是重力加速度，m為質(zhì)量旋翼，J是慣性矩陣的旋翼，并且：其中，的是的角速度為螺旋槳i。建模的力是由于轉(zhuǎn)子的推力，由于重力作用的力，以及由此產(chǎn)生的傾斜引起的力。風(fēng)和剪切力，在這個模型中被忽視了，因為目前的試驗區(qū)是在室內(nèi)環(huán)境干擾可以忽略不計。因為自動駕駛儀構(gòu)想出這樣一個固定的高度足夠高，否定效果，這架飛機(jī)可能飛行的飛機(jī)的地面效應(yīng)也被忽視。飛機(jī)相對于地面的位置，通過使用變換矩陣方程納入。使用先前推導(dǎo)數(shù)學(xué)模型的旋翼飛機(jī)[1]，我們采用線性模型飛機(jī)小角度approximationin秩序。的線性化允許去耦的控制器的不同方面，它們彼此獨(dú)立地設(shè)計。這種設(shè)計的缺點(diǎn)是，取向角的變化方面的系統(tǒng)的響應(yīng)是有限的，因為只有小的變化，在飛行過程中，可以利用。由于機(jī)器人的目的不是侵略陰謀活動，這個缺點(diǎn)并不只有框架方向的微小變化都必須實現(xiàn)運(yùn)動的預(yù)期性能有很大的影響。整體設(shè)置的使用OptiTrack相機(jī)陣列的通過一個MATLAB/QuaRC的計算機(jī)接口發(fā)送到飛機(jī)，以模擬一個GPS飼料。自動駕駛儀是基于廠商控制系統(tǒng)Quanser的Qball的-X4飛機(jī)[2]。去耦的控制系統(tǒng)的模塊包括的高度z，標(biāo)題間距ψ，θ，和輥φ，x和y位置控制器。這些模塊用于驅(qū)動飛機(jī)中內(nèi)置了由生產(chǎn)商提供的電機(jī)控制器。模塊設(shè)計直接取自均來自-X4Quanser的Qball的使用推力，動量，質(zhì)量由制造商提供的數(shù)據(jù)進(jìn)行了優(yōu)化的數(shù)學(xué)模型和狀態(tài)空間方程。該模塊的控制采用比例積分微分（PID）控制系統(tǒng)。收益控制器的確定，采用線性二次調(diào)節(jié)器（LQR）和布賴森的規(guī)則[3]。在MATLAB的Simulink?模塊設(shè)計，并進(jìn)行了測試使用的QuaRC旋翼模擬圖形用戶界面（GUI）由制造商提供。每個模塊單獨(dú)進(jìn)行試驗，以確定其各個響應(yīng)中的其它模塊一起測試之前，通過將其插入到框架中的制造商的控制系統(tǒng)。創(chuàng)建的自體導(dǎo)頻將能夠確定根據(jù)外部進(jìn)料和所需的飛機(jī)位置的用戶輸入的基礎(chǔ)上在圖上的飛機(jī)的當(dāng)前位置如圖3。圖3運(yùn)動的錯誤信號然后，飛機(jī)將起飛，飛至所需位置，和土地。飛機(jī)的所需位置，并輸入位置數(shù)據(jù)的位置之間的差異將被轉(zhuǎn)換為在x和y方向相對于機(jī)身的由自動導(dǎo)頻算法的誤差信號。這些誤差信號被用來由x和y位置控制器生產(chǎn)飛機(jī)框架的角度的變化，導(dǎo)致所需的位置朝向。車輛將保持飛行，直到誤差信號減少到零。控制系統(tǒng)將進(jìn)行優(yōu)化，以盡量減少過沖的風(fēng)險和補(bǔ)償，如果發(fā)生過沖。

二背景在世界各地的國家正變得越來越有興趣，因為他們使用無人飛行器（UAV）在最大限度地減少人員和設(shè)備的風(fēng)險以及運(yùn)營成本。作業(yè)飛行的民用或軍用設(shè)置固有的風(fēng)險總是與飛行員和飛機(jī)的傷害或損失的條款。無人機(jī)減少損失，因為飛行員的機(jī)身登不上。無人機(jī)與傳統(tǒng)飛機(jī)相比，也代表了顯著的成本節(jié)約，因為他們可以更小，更輕。目前的預(yù)算由五角大樓正在采取措施，包括增加其無人機(jī)機(jī)隊由20架飛機(jī)，以減少使用傳統(tǒng)平臺用于監(jiān)視用途[4]。無人機(jī)的操作的一個問題是需要的，以便操作一個車輛大量的通信帶寬。例如，一個全球鷹無人機(jī)在飛行過程中需要一個完整的衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器通信[5]。對于軍事，戰(zhàn)斗空間的帶寬已經(jīng)極為有限。隨著無人機(jī)越來越普及，帶寬內(nèi)的通信資源的競爭將日趨激烈。同時，民間公司通常依賴于第三方承包商通信框架和無人機(jī)的操作成本增加帶寬的無人機(jī)將抵消潛在的成本節(jié)約。這個問題的答案是無人機(jī)提供一定程度的自治權(quán)。當(dāng)無人機(jī)能夠自主控制飛行，將大大減少他們的帶寬要求的一個方面。在監(jiān)控方面，如偏遠(yuǎn)地區(qū)的火災(zāi)探測，無人機(jī)帶寬要求將顯著減少的時間內(nèi)到達(dá)搜索區(qū)域飛行時在預(yù)定的搜索模式。當(dāng)無人機(jī)獲得解釋自己的傳感器數(shù)據(jù)的能力，將進(jìn)一步減少對帶寬的要求。

三實驗裝置在實驗室環(huán)境的目的是使用一個16個相機(jī)的OptiTrack陣列Quanser的飛機(jī)提供離散位置數(shù)據(jù)。飛機(jī)自動駕駛儀是無法操作的試驗區(qū)，由于缺乏位置數(shù)據(jù)以外。通過了MATLAB/QuaRC的界面和無線網(wǎng)絡(luò)的位置數(shù)據(jù)傳送到飛機(jī)。MATLAB環(huán)境下也被用來創(chuàng)建和上傳到飛機(jī)的程序數(shù)據(jù)。3.1反饋系統(tǒng)反饋系統(tǒng)是由十六OptiTrackV100R2送入四個OptiTrackOptiHubs的相機(jī)。的輪轂，然后送入一臺主計算機(jī)通過USB上行鏈路，它提供了輸入的飛機(jī)。這四個樞紐可以容納多達(dá)24臺攝像機(jī)。相機(jī)充當(dāng)偽飛行實驗室內(nèi)的GPS信號。他們設(shè)置在廣場周圍飛行區(qū)如圖4。廣場上的每一方擁有4個攝像頭。該相機(jī)監(jiān)視旋翼的六自由度的x，y和z坐標(biāo)（高度）和的標(biāo)題，節(jié)距，和軋制[6]。OptiTrack攝像機(jī)是根據(jù)反射球被放置在紅外光譜中在不同點(diǎn)的圖案，能夠識別一個特定的旋翼。的一個例子示于圖5。圖4實驗裝置圖5OptiTrack反射球3.2控制器于一個典型的四旋翼UAV[1]使用先前導(dǎo)出的數(shù)學(xué)模型，在MATLAB的Simulink控制系統(tǒng)本身實施。為了減少復(fù)雜性的實現(xiàn)中，控制器被細(xì)分成子控制器：高度，的x，y，航向，俯仰和滾轉(zhuǎn)。在這些子控制器被認(rèn)為是因為在小角度近似解耦。唯一的例外是，在x控制器驅(qū)動輥控制器而Y控制器驅(qū)動變槳控制器。如圖9所示的控制系統(tǒng)圖。每個子系統(tǒng)的實施，與異常的標(biāo)題中的控制器，它被實現(xiàn)為一個PD控制器為PID控制器，因為它是唯一的標(biāo)題速度必須保持為零。這些調(diào)節(jié)器使用LQR方法與布賴森的規(guī)則，提供一個起點(diǎn)，圍繞著測試。3.3QuaRC軟件QuaRC軟件會將輸出從MATLAB的Simulink控制器旋翼。該軟件是由Quanser的是專有的。圖6高度控制響應(yīng)圖7Y控制器的響應(yīng)圖8X控制器的響應(yīng)

四驗證和結(jié)果自動駕駛的功能和蒼蠅使用OptiTrack攝像機(jī)提供飛機(jī)X，Y，z坐標(biāo)的。的偏航，俯仰和滾動角約在xy平面中所提供由板載陀螺儀。此配置只需要一個反射球的的OptiTrack系統(tǒng)生成位置數(shù)據(jù)和GPS位置飼料，這提供了一個更好的模擬。4.1高度控制響應(yīng)高度控制器有56厘米的位置偏移。這個偏移是由于保護(hù)圓頂?shù)捻敳康姆瓷淝虻奈恢茫菑姆瓷涞降孛娴木嚯x等于。圖圖6反映的實際和給飛機(jī)調(diào)整高度命令。的性能數(shù)據(jù)還沒有被調(diào)整。第二滯后之間的高度命令的應(yīng)用程序的初始響應(yīng)是由于電機(jī)來打開和產(chǎn)生升力推力所花費(fèi)的時間。為0.4米的上升時間，一旦已經(jīng)達(dá)到，升降機(jī)的推力是5.83秒，小于1％的過沖。當(dāng)應(yīng)用減低高度19厘米，響應(yīng)時間是1.67秒，與9.5％的過沖。9.5％沖值誤導(dǎo)，在這種情況下，因為實際的誤差只有1.75厘米，同時變化的y坐標(biāo)。經(jīng)歷了33.3秒和48.1秒的干擾，在y位置變化的結(jié)果。因為跟蹤球保護(hù)圓頂?shù)捻旤c(diǎn)，固定的的OptiTrack高度讀數(shù)經(jīng)歷瞬態(tài)干擾飛機(jī)的身體變化相對于XY平面的方向。4.2X和Y的控制響應(yīng)x和y位置響應(yīng)包括的x和y的控制器和控制器的俯仰和側(cè)滾。俯仰和滾轉(zhuǎn)控制器是相同的，x和y的控制器是相同的，除了它們的輸出在符號相反。圖圖7示出的y控制器的位置指令的變化的響應(yīng)。不同的高度控制器，輸入命令進(jìn)行平滑處理，通過應(yīng)用一階延遲。所施加的延遲，用于翻譯的小角度假設(shè)的物理飛機(jī)。大擾動在9.5秒內(nèi)看到的結(jié)果，飛機(jī)校正其位置對齊的起源在起飛加上受力起飛滋擾。一米的位置的變化在34秒內(nèi)施加在一個9.68厘米的超調(diào)量（9.68％）。130厘米的變化導(dǎo)致了14.5厘米（11.2％）的過沖。30厘米的高度變化，申請在48.1秒沖在4.8厘米（16.1％）。這存在很大的誤差，因為飛機(jī)是不是由于高度的變化，一直在44.7秒內(nèi)輸入所需的y位置。圖8包含飛行X控制器響應(yīng)。在9秒內(nèi)看到的主要干擾所造成的初始高度變化在7.2厘米的位置偏離而導(dǎo)致的。第二個主要的干擾為48.1秒加上恢復(fù)高和結(jié)果在6.67厘米的偏差的變化在y方向上的位置變化的結(jié)果。五今后的工作有研究表明，群體的無人機(jī)，一起工作時，往往表現(xiàn)出類似的行為蜂房。在加拿大皇家軍事學(xué)院（RMC）計劃使用的旋翼自動駕駛儀程序進(jìn)行研究，在多個無人機(jī)經(jīng)營人士的行為。這項研究將包括幾個項目，將根據(jù)對一致行動來完成特定的任務(wù)自主小型無人機(jī)的部署組。自動駕駛程序?qū)MC進(jìn)行未來的研究有直接的影響。對于這個項目，今后的工作將重點(diǎn)放在調(diào)整收益的控制系統(tǒng)，以便在一個模塊中的位置，以盡量減少損失，由于其他模塊的驅(qū)動，并盡量減少在每個方向上的飛機(jī)所經(jīng)歷的過沖。在未來的迭代控制器，原點(diǎn)的飛機(jī)將在起飛調(diào)整，以反映當(dāng)前的位置，而不是一個預(yù)定義的位置，以盡量減少在xy平面上的運(yùn)動。

六結(jié)論本文提出了應(yīng)用系統(tǒng)工程方法為QballX4四旋翼無人機(jī)自動駕駛儀的設(shè)計。PID控制器，調(diào)整，通過LQR并布賴森的規(guī)則，無人機(jī)控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)。MATLAB的Simulink是用在連同QuaRC軟件，以允許快速的自動駕駛儀的實施和測試使用反饋，OptiTrack攝像機(jī)陣列。圖9系統(tǒng)圖致謝這項研究是支持的，一部分由DRDCValcartier主任適航工程技術(shù)和支持6。

參考文獻(xiàn)[1]Mian,AshfaqAhmad,王道波?！皠討B(tài)建模和非線性控制策略的欠驅(qū)動四轉(zhuǎn)旋翼機(jī)?！闭憬髮W(xué)，2008：539～545。[2]李路明，王立鼎，MEMS研究的新發(fā)展——微型系統(tǒng)及其發(fā)展應(yīng)用的研究，光學(xué)精密工程，1997，5(1)：67～73[3]黃志洵，王曉金，微波傳輸線理論與使用技術(shù)，科學(xué)出版社，2003：79～258[4]劉易斯，布里特，國防部新聞，2009年8月，文章，二零一二年二月九日。[5]LE蒙特利爾雜志。樂雜志蒙特利爾。2012年1月30日。在線報紙。2012年2月9日[6]自然點(diǎn)，（2011），V100：R2，檢索2012年2月10日，從OptiTrack/OptiTrack/products/v100-r2/基于C8051F單片機(jī)直流電動機(jī)反饋控制系統(tǒng)的設(shè)計與研究基于單片機(jī)的嵌入式Web服務(wù)器的研究MOTOROLA單片機(jī)MC68HC（8）05PV8/A內(nèi)嵌EEPROM的工藝和制程方法及對良率的影響研究基于模糊控制的電阻釬焊單片機(jī)溫度控制系統(tǒng)的研制基于MCS-51系列單片機(jī)的通用控制模塊的研究基于單片機(jī)實現(xiàn)的供暖系統(tǒng)最佳啟停自校正（STR）調(diào)節(jié)器單片機(jī)控制的二級倒立擺系統(tǒng)的研究基于增強(qiáng)型51系列單片機(jī)的TCP/IP協(xié)議棧的實現(xiàn)基于單片機(jī)的蓄電池自動監(jiān)測系統(tǒng)基于32位嵌入式單片機(jī)系統(tǒng)的圖像采集與處理技術(shù)的研究基于單片機(jī)的作物營養(yǎng)診斷專家系統(tǒng)的研究基于單片機(jī)的交流伺服電機(jī)運(yùn)動控制系統(tǒng)研究與開發(fā)基于單片機(jī)的泵管內(nèi)壁硬度測試儀的研制基于單片機(jī)的自動找平控制系統(tǒng)研究基于C8051F040單片機(jī)的嵌入式系統(tǒng)開發(fā)基于單片機(jī)的液壓動力系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測儀開發(fā)模糊Smith智能控制方法的研究及其單片機(jī)實現(xiàn)一種基于單片機(jī)的軸快流CO〈,2〉激光器的手持控制面板的研制基于雙單片機(jī)沖床數(shù)控系統(tǒng)的研究基于CYGNAL單片機(jī)的在線間歇式濁度儀的研制基于單片機(jī)的噴油泵試驗臺控制器的研制基于單片機(jī)的軟起動器的研究和設(shè)計基于單片機(jī)控制的高速快走絲電火花線切割機(jī)床短循環(huán)走絲方式研究基于單片機(jī)的機(jī)電產(chǎn)品控制系統(tǒng)開發(fā)基于PIC單片機(jī)的智能手機(jī)充電器基于單片機(jī)的實時內(nèi)核設(shè)計及其應(yīng)用研究基于單片機(jī)的遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)的設(shè)計與研究基于單片機(jī)的煙氣二氧化硫濃度檢測儀的研制基于微型光譜儀的單片機(jī)系統(tǒng)單片機(jī)系統(tǒng)軟件構(gòu)件開發(fā)的技術(shù)研究基于單片機(jī)的液體點(diǎn)滴速度自動檢測儀的研制基于單片機(jī)系統(tǒng)的多功能溫度測量儀的研制基于PIC單片機(jī)的電能采集終端的設(shè)計和應(yīng)用基于單片機(jī)的光纖光柵解調(diào)儀的研制氣壓式線性摩擦焊機(jī)單片機(jī)控制系統(tǒng)的研制基于單片機(jī)的數(shù)字磁通門傳感器基于單片機(jī)的旋轉(zhuǎn)變壓器-數(shù)字轉(zhuǎn)換器的研究基于單片機(jī)的光纖Bragg光柵解調(diào)系統(tǒng)的研究單片機(jī)控制的便攜式多功能乳腺治療儀的研制基于C8051F020單片機(jī)的多生理信號檢測儀基于單片機(jī)的電機(jī)運(yùn)動控制系統(tǒng)設(shè)計Pico專用單片機(jī)核的可測性設(shè)計研究基于MCS-51單片機(jī)的熱量計基于雙單片機(jī)的智能遙測微型氣象站MCS-51單片機(jī)構(gòu)建機(jī)器人的實踐研究基于單片機(jī)的輪軌力檢測基于單片機(jī)的GPS定位儀的研究與實現(xiàn)基于單片機(jī)的電液伺服控制系統(tǒng)用于單片機(jī)系統(tǒng)的MMC卡文件系統(tǒng)研制基于單片機(jī)的時控和計數(shù)系統(tǒng)性能優(yōu)化的研究基于單片機(jī)和CPLD的粗光柵位移測量系統(tǒng)研究單片機(jī)控制的后備式方波UPS提升高職學(xué)生單片機(jī)應(yīng)用能力的探究基于單片機(jī)控制的自動低頻減載裝置研究基于單片機(jī)控制的水下焊接電源的研究基于單片機(jī)的多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)基于uPSD3234單片機(jī)的氚表面污染測量儀的研制基于單片機(jī)的紅外測油儀的研究96系列單片機(jī)仿真器研究與設(shè)計基于單片機(jī)的單晶金剛石刀具刃磨設(shè)備的數(shù)控改造基于單片機(jī)的溫度智能控制系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)基于MSP430單片機(jī)的電梯門機(jī)控制器的研制基于單片機(jī)的氣體測漏儀的研究基于三菱M16C/6N系列單片機(jī)的CAN/USB協(xié)議轉(zhuǎn)換器基于單片機(jī)和DSP的變壓器油色譜在線監(jiān)測技術(shù)研究基于單片機(jī)的膛壁溫度報警系統(tǒng)設(shè)計基于AVR單片機(jī)的低壓無功補(bǔ)償控制器的設(shè)計基于單片機(jī)船舶電力推進(jìn)電機(jī)監(jiān)測系統(tǒng)基于單片機(jī)網(wǎng)絡(luò)的振動信號的采集系統(tǒng)基于單片機(jī)的大容量數(shù)據(jù)存儲技術(shù)的應(yīng)用研究基于單片機(jī)的疊圖機(jī)研究與教學(xué)方法實踐基于單片機(jī)嵌入式Web服務(wù)器技術(shù)的研究及實現(xiàn)基于AT89S52單片機(jī)的通用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)基于單片機(jī)的多道脈沖幅度分析儀研究機(jī)器人旋轉(zhuǎn)電弧傳感角焊縫跟蹤單片機(jī)控制系統(tǒng)基于單片機(jī)的控制系統(tǒng)在PLC虛擬教學(xué)實驗中的應(yīng)用研究基于單片機(jī)系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)通信研究與應(yīng)用基于PIC16F877單片機(jī)的莫爾斯碼自動譯碼系統(tǒng)設(shè)計與研究基于單片機(jī)的模糊控制器在工業(yè)電阻爐上的應(yīng)用研究基于雙單片機(jī)沖床數(shù)控系統(tǒng)的研究與開發(fā)基于Cygnal單片機(jī)的μC/OS-Ⅱ的研究基于單片機(jī)的一體化智能差示掃描量熱儀系統(tǒng)研究基于TCP/IP協(xié)議的單片機(jī)與Internet互聯(lián)的研究與實現(xiàn)變頻調(diào)速液壓電梯單片機(jī)控制器的研究基于單片機(jī)γ-免疫計數(shù)器自動換樣功能的研究與實現(xiàn)基于單片機(jī)的倒立擺控制系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)單片機(jī)嵌入式以太網(wǎng)防盜報警系統(tǒng)基于51單片機(jī)的嵌入式Internet系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)單片機(jī)監(jiān)測系統(tǒng)在擠壓機(jī)上的應(yīng)用MSP430單片機(jī)在智能水表系統(tǒng)上的研究與應(yīng)用基于單片機(jī)的嵌入式系統(tǒng)中TCP/IP協(xié)議棧的實現(xiàn)與應(yīng)用單片機(jī)在高樓恒壓供水系統(tǒng)中的應(yīng)用基于ATmega16單片機(jī)的流量控制器的開發(fā)基于MSP430單片機(jī)的遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)及智能網(wǎng)絡(luò)水表的設(shè)計基于MSP430單片機(jī)具有數(shù)據(jù)存儲與回放功能的嵌入式電子血壓計的設(shè)計基于單片機(jī)的氨分解率檢測系統(tǒng)的研究與開發(fā)鍋爐的單片機(jī)控制系統(tǒng)基于單片機(jī)控制的電磁振動式播種控制系統(tǒng)的設(shè)計基于單片機(jī)技術(shù)的WD