四旋翼無人機控制原理和姿態(tài)表示分析綜述目錄TOC\o"1-3"\h\u15973四旋翼無人機控制原理和姿態(tài)表示分析綜述 11301.1四旋翼無人機結(jié)構 1121521.2四旋翼無人機控制原理 2226891.3四旋翼無人機姿態(tài)表示 6146481.3.1坐標系 6186041.3.2歐拉角 71.1四旋翼無人機結(jié)構四旋翼飛行器的四個螺旋槳機體的周圍對稱均勻分布，并且要保證旋翼處于同一水平面。為了保證螺旋槳所產(chǎn)生的力矩大小相等，所以螺旋槳的材質(zhì)，大小尺寸都要一樣。同時四根機臂互相垂直，直流無刷電機安裝在靠近機臂的末端位置且安裝位置要對稱。所以無刷電機等速旋轉(zhuǎn)時電機相對于機架的中心位置產(chǎn)生的力矩也是一樣的，這樣可以有效地避免因機身受力不均所產(chǎn)生的顫抖。使飛行器飛行平穩(wěn)。根據(jù)四旋翼飛行器的結(jié)構不同可將四旋翼飛行器分為“十”字構型（見圖6）和“X”構型（見圖7），采用“十”字構型的四旋翼無人機雖然控制算法相對簡單，但是由于產(chǎn)生的力矩相較于“X”構型相對較小，而無人機面臨的主要問題是動力續(xù)航能力。所以“X”構型的無人機慢慢的取代了“十”字構型的無人機，成為了主要的四旋翼無人機構型。圖6“十字型”無人機圖7“X構型”無人機1.2四旋翼無人機控制原理四旋翼無人機是依靠電子調(diào)速器來改變電機轉(zhuǎn)速，從而比較靈活在空中飛行，控制無人機的飛行姿態(tài)，完成各種復雜的飛行動作。根據(jù)螺旋槳和電機的相對位置不同，可以將無人機的類型分為兩種，即電機向上安裝和電機向下安裝，兩種安裝方式各有優(yōu)缺點，但是目前常用還是電機向下安裝如AeryonLabsy研發(fā)的Scout四旋翼無人機如圖8所示，這種安裝方式由于螺旋槳相對地面較遠，可以降低無人機下落時旋翼因碰撞而破壞的概率，減少無人機的損壞，延長無人機的壽命，同時不會影響相機的拍攝路徑。在電機的安裝方向向下時，如圖9中科遙感RSA無人機，這種無人機飛行比較平穩(wěn)，不易受到外界干擾，但是但對無人機有航拍功能時會干擾無人機的拍攝功能。圖8Scout無人機圖9中科遙感RSA無人機當螺旋槳旋轉(zhuǎn)時，螺旋槳相對于空氣會產(chǎn)生力矩，此時空氣也會對無人機產(chǎn)生方向相反的力矩。而這個反作用力矩會作用到無人機的機身上。為了克服這個力矩的影響，使得無人機正常飛行，常用的解決方案是保證相鄰螺旋槳的旋轉(zhuǎn)方向相反，以此來克服無人機的陀螺效應。常見的直升機通過加尾槳來克服反力矩，這樣會降低能量利用率。如圖10所示電機2和4沿著逆時針方向旋轉(zhuǎn)，同時電機1和3沿著順時針旋轉(zhuǎn)，這時所產(chǎn)生的反扭距將會被相互抵消，但是為了保證四個螺旋槳所產(chǎn)生的作用力方向向上，則要求相鄰兩螺旋槳安裝方向相反。在沒有外力干擾下，當無人機的自重和電機旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的升力一樣時，此時無人機將懸停在某一固定高度。由于，四旋翼無人機由四個電機旋轉(zhuǎn)提供動力，且四旋翼無人機體積相對較小，而直升機只有一個螺旋槳提高動力，且自身重量相對較大，所以四旋翼無人機的螺旋槳轉(zhuǎn)速比直升機的轉(zhuǎn)速低很多。因此，四旋翼無人機可以實現(xiàn)在室內(nèi)飛行并且可以接近目標物體。3131圖10無人機懸停狀態(tài)無人機系統(tǒng)有四個輸入，分別為一個上升力和三個方向的扭矩，由此可以控制無人機四種主要運動形式：升降運動，俯仰運動，橫滾運動，偏航運動1、升降運動如圖（11）所示無人機在鉛錘方向上下運動時，假設無人機此時處于平穩(wěn)狀態(tài)，需保證4個螺旋槳轉(zhuǎn)速完全一樣。若此時同時增加螺旋槳轉(zhuǎn)速且增加轉(zhuǎn)速的大小一樣，可以控制無人機向上運動，反之，同時減少螺旋槳轉(zhuǎn)速且減小的轉(zhuǎn)速大小也一樣，可以控制無人機向下運動。3131圖11無人機向上運動2、俯仰運動如圖（12）所示，當無人機處于一個平穩(wěn)飛行的狀態(tài)，此時提高電機2的轉(zhuǎn)速，降低電機4的轉(zhuǎn)速（改變大小應一樣），保持電機3和4的轉(zhuǎn)速不變，由于旋翼2的升力上升，旋翼4的升力下降，此時無人機將會向后俯仰運動，反之無人機將會向前俯仰運動。俯仰動作的實質(zhì)會影響無人機的前進和后退運動，因為俯仰運動會產(chǎn)生向前或向后的分力。3131圖12無人機向后運動3、橫滾運動如圖（13）所示，若保持電機2和4轉(zhuǎn)速不變，同時提高電機1的轉(zhuǎn)速，降低電機3的轉(zhuǎn)速，由于旋翼1的升力上升，旋翼3的升力下降，此時無人機會向左進行橫滾運動，反之無人機會向右進行橫滾運動。橫滾運動由于會產(chǎn)生向左或向右的分力所以會影響無人機的左右運動。3131圖13無人機向后運動4、偏航運動偏航運動就是無人機的機體繞著自身旋轉(zhuǎn)的運動，原理是無人機的陀螺效應，為了保證無人機的平穩(wěn)飛行一般我們是克服無人機的陀螺效應，但是四旋翼無人機需要借助無人機的陀螺作用實現(xiàn)偏航運動。當無人機處于平穩(wěn)飛行狀態(tài)，需要實現(xiàn)無人機的偏航運動如圖14所示，只需要增加電機1和3轉(zhuǎn)速且增加的大小一致，同時減小電機2和4的轉(zhuǎn)速同時保證減小的幅度一樣,則電機1和3產(chǎn)生的反扭矩相對較大，此時無人機的機身會向著電機1和3旋轉(zhuǎn)的反方向偏航，反之則相反。3131圖14無人機順時針偏航運動1.3四旋翼無人機姿態(tài)表示為了方便對四旋翼無人機進行運動分析，需要建立合理的坐標系首先在大地上建立一個全局坐標系，然后再以無人機中心為坐標原點建立一個局部坐標系，以便來表示四旋翼無人機的姿態(tài)和位置。1.3.1坐標系首先是將全局坐標系oexeyeze四旋翼無人機機體的局部的坐標系obxbybzb的確定遵照地球的全局坐標系的確定方法，為了方便表示無人機的位置，我們將無人機的中心即四個機架的交點中心作為局部坐標系的原點，首先確定局部坐標系的一條軸線的方向，將無人機兩相對布置電機的連線作為軸o圖15四旋翼飛行器兩坐標系間的關系1.3.2歐拉角歐拉角對無人機飛行控制非常重要，可以直觀的表示無人機的姿態(tài)并且具有明確的物理意義可以簡化運算過程。根據(jù)歐拉旋轉(zhuǎn)定理：任何兩個獨立的正交坐標系都可通過一系列（不超過三次）相對于坐標軸的旋轉(zhuǎn)聯(lián)系起來，但其中連續(xù)的兩次旋轉(zhuǎn)不能繞同一軸線。所以可以選擇將無人機的機體坐標系向地球的全局坐標系轉(zhuǎn)化，也可以選擇將地球的全局坐標系向無人機的機體坐標系轉(zhuǎn)化，為了簡化運算，我們選擇將地球的全局坐標系通過符合歐拉旋轉(zhuǎn)定理的旋轉(zhuǎn)得到四旋翼無人機機體坐標系。在旋轉(zhuǎn)過程中，歐拉角就是旋轉(zhuǎn)的角度。歐拉角分別為：俯仰角θ；橫滾角φ；偏航角ψ。當繞地球的全局坐標系的坐標軸e3旋轉(zhuǎn)時，四旋翼無人機的偏航角ψ即為旋轉(zhuǎn)角度的大小，規(guī)定偏航的正方向為無人機機體順時針旋轉(zhuǎn)，且偏航角的變化范圍是（?π≤ψ≤π），變換后的坐標系為0然后繞變換后的坐標系的坐標軸k2進行旋轉(zhuǎn)，四旋翼無人機的俯仰角θ即為旋轉(zhuǎn)的角度的大小，規(guī)定正方向為無人機機頭向上時的方向，且俯仰角的范圍為（?π/2≤θ≤π/2），變換后的坐標系為0圖16無人機偏航角ψ圖17無人機俯仰角最后繞變換后的坐標系的軸n1進行旋轉(zhuǎn)，四旋翼無人機的橫滾角φ即為旋轉(zhuǎn)角度大小，規(guī)定正方向為機體向右橫滾時的方向，且橫滾角