基于Pixhawk的多旋翼无人机避障 飞行系统研发
Dynamical Systems and Control 动力系统与控制, 2017, 6(3), 98-108 Published Online July 2017 in Hans. https://www.360docs.net/doc/7d13388339.html,/journal/dsc https://https://www.360docs.net/doc/7d13388339.html,/10.12677/dsc.2017.63013
文章引用: 赵航, 王立峰. 基于pixahwk 的多旋翼无人机避障飞行系统研发[J]. 动力系统与控制, 2017, 6(3): 98-108.
Study on Obstacle Avoidance Flight System of Multi-Rotor UAV Based on Pixhawk
Hang Zhao, Lifeng Wang
Field Bus Technology & Automation Lab, North China University of Technology, Beijing
Received: May 2nd , 2017; accepted: Jun. 10th , 2017; published: Jun. 13th
, 2017
Abstract
Autonomous obstacle avoidance is an important guarantee for the successful completion of the mission, and it reflects the intelligence and security of the aircraft. This article aims to study the obstacle avoidance technology of multi-rotor UAV based on the cross type quadrotor and Pixhawk
which is the open source flight control system. A simple and efficient obstacle avoidance system is developed. The flight test shows that the obstacle avoidance system can realize the obstacle avoidance of UAV.
Keywords
Pixhawk, Quadrotor, Obstacle Avoidance
基于Pixhawk 的多旋翼无人机避障 飞行系统研发
赵 航，王立峰
北方工业大学现场总线技术及自动化实验室，北京
收稿日期：2017年5月2日；录用日期：2017年6月10日；发布日期：2017年6月13日
摘 要
飞行器的自主避障是顺利完成飞行任务的重要保证，同时在很大程度上体现了飞行器的智能性和安全性。本文以Pixhawk 开源飞控系统为基础，以“X ”型四旋翼飞行器为平台，对多旋翼飞行器自主避障技术进行研究，开发出一款简单高效避障系统。飞行试验表明该避障系统可实现飞行器避障飞行。
赵航，王立峰
关键词
Pixhawk ，四旋翼飞行器，避障
Copyright ? 2017 by authors and Hans Publishers Inc.
This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License (CC BY).
https://www.360docs.net/doc/7d13388339.html,/licenses/by/4.0/
1. 引言
近年来，多旋翼无人机因其机动灵活、垂直起降、自主飞行等特性，在军用领域、农业领域和工业领域等方面得到了广泛的应用。然而，由于飞行环境与飞行任务的日趋复杂化，无人机在执行飞行任务中遇到障碍物时，如何实现快速高效的避障，保证无人机的安全性，提高无人机的智能性，正成为无人机发展的趋势。
国内外很多学者和无人机公司对多旋翼飞行器避障系统进行了研究，例如文献[1]基于Arduino UNO 采集超声波数据和遥控器信号，并根据超声波测量的数据对遥控信号进行逻辑判断后，发送给飞控系统进行避障，该避障系统具备多适配性的特点。文献[2]对无人机编队避障方法进行研究，首先通过构建Voronoi 图，利用K 路径算法为无人机找到多条备选路径，然后建立协同函数，为无人机规划出最优的障碍物规避航迹。文献[3] [4]针对无人机电力巡线过程中避障和路径规划问题进行研究。文献[5]基于Pixhawk 和改进人工势场法(IAPF)，提出适用于桥梁检测的无人机自动避障路径规划和实现。文献[6] [7]采用多传感器数据融合，检测飞行器周围环境信息，对飞行器避障飞行以及航迹规划进行研究。另外，国内外各大无人机公司相继推出具备避障功能的飞行器，如零度“Xplorer 2”、DJI “Guidance ”、昊翔“Typhoon H RealSense ”等。
本文以Pixhawk 开源飞控系统为基础，并以“X ”型四旋翼飞行器为平台，对多旋翼飞行器如何实现自主避障进行研究。
2. 系统架构整体设计
本文无人机避障系统整体实现流程如图1所示，其中，测距传感器采用HC-SR04超声波传感器，实时检测飞行器周围环境信息；基于Arduino Mega2560开发板，设计出一款带有CAN 总线和串口两种通讯接口的数据采集模块，用于采集超声波数据和实现与Pixhawk 飞控的通讯；在搭载APM 飞行控制栈的Pixhawk 飞控系统中完成上层避障应用的开发。
Figure 1. Flow chart of obstacle avoidance 图1. 避障实现流程图
Open Access
赵航，王立峰
3. 硬件设计
本文基于Arduino Mega2560开发板，设计出一款带有CAN总线接口和串口的数据采集模块，主要完成两方面的工作：1. 采集超声波数据；2. 通过CAN总线或串口的方式与Pixhawk飞控进行通讯，完成数据交换。图2为主芯片Atmega2560外围电路、串口和超声波接口原理图。
CAN总线接口实现如图3所示，其中，CAN控制器采用MCP2515，通讯速率可达1 Mb/s，通过SPI 的通讯方式与MCU连接；CAN收发器采用TJA1050，可为总线提供差动发送性能，为CAN控制器提供差动接收性能。
模块还挂载有ATmega16u2芯片用于虚拟一个USB-Serial转换器，可实现模块与计算机的通信和程序下载。
Figure 2. Serial port and ultrasonic interface diagram
图2. 串口和超声波接口图
赵航，王立峰
Figure 3. CAN interface diagram
图3. CAN总线接口图
4. 软件设计
4.1. 超声波数据采集与发送
本文使用Arduino进行超声波数据采集和发送。选用的超声波模块为HC-SR04，可实现对2 cm~450 cm距离内平面相对比较平整的物体进行检测。该模块有四个引脚，分别为Trig、Echo、VCC、GND。首先定义Trig、Echo端连接的引脚；进行串口初始化，设置串口通信波特率；配置Trig引脚为输出，Echo 引脚为输入，并在loop()循环中对trig引脚持续输出10 us高电平，获得echo引脚高电平持续的时间；计算超声波传感器测量的距离；调用滤波器，对测量的数据进行滤波处理；串口输出滤波后的数据，具体实现流程如图4所示。
4.2. Pixhawk串口接收
1. 自定义主题
Pixhawk飞控系统中封装了一个跨平台无锁publish/subscribe模式的对象请求代理(uORB)，用于完成进程间通信和数据交换。uORB将进程间通信的数据命名为“主题”，“主题”中定义了通信的数据结构，通过“主题”的发布和订阅完成进程间的数据交换，如图5所示。Pixhawk飞控系统中所有通用接口标准主题全部定义在ardupilot/modules/PX4Firmware/msg目录下的.msg文件中，编译飞控程序过程中，
赵航，王立峰
Figure 4. Flow chart of distance measurement
图4.测距流程图
Figure 5. Topic publish/subscribe
图5.主题发布/订阅
通过调用工具Pyhton，检索该目录下的.msg文件，并以msg.h.template文件中定义的模板，将所有.msg 文件转换生成.h文件，并保存在目录PX4Firmware/src/modules/uORB/topics下，该msg.h实现对主题的数据结构定义，通过调用ORB_DECLARE()完成了主题的声明。
本文使用的是自定义主题，则需要在ardupilot/modules/PX4Firmware/msg目录下新建一个名为serial_sonar.msg文件，在该文件中定义Pixhawk串口接收到所有超声波数据。
2. 定义主题
赵航，王立峰
主题的发布需完成三个独立又相关联的动作:调用ORB_DEFINE()定义主题；调用orb_advertise()公告主题；调用orb_publish()发布主题。
Pixhawk中所有标准主题的定义均封装在
ardupilot/modules/PX4Firmware/src/modules/uORB/objects_common.cpp文件中，则本文需要在该文件中完成serial_sonar主题定义。
3. 创建新的任务进程
Pixhawk飞控系统使用具有多任务特性的NuttX实时操作系统，在飞控上电之后，NuttX完成底层任务、设备等初始化工作。Pixhawk飞控系统将所有的任务以模块化的形式进行封装，均在ardupilot/modules/PX4Firmware/src/module目录下。本文需要在该目录下创建一个新的任务模块文件夹，并在该文件夹中定义任务实现文件和.mk文件。任务实现文件中通过调用px4_task_spawn_cmd()函数创建新的任务进程。其中，在入口函数中完成了串口配置、波特率设置、主题公告和发布等工作，具体实现流程如图6所示。而在.mk文件中需要定义该模块编译指令MODULE_COMMAND和依赖文件,以便在编译飞控程序时进行调用和执行。
Figure 6. Flow chart of Pixhawk serial port program
图6. Pixhawk串口接收程序流程图
赵航，王立峰
4. 加入Pixhawk编译系统
Pixhawk借助make工具实现对飞控程序的编译。Makefile文件中定义了程序编译规则、文件包含和调用关系等。在px4_targets.mk文件中，有以下这样几行程序，规定了飞行固件编译需要哪些底层驱动及任务模块。
本文以“X”型四旋翼飞行器为飞行平台，其固件编译指令为make px4-v2，在解析编译指令的过程中确定了飞控板类型为px4fmu-v2，则上述程序最终只执行config_px4fmu-v2_APM.mk文件中包含的内容。则本文需要在该mk文件中，加入自定义的串口接收任务模块。
4.3. 上层避障实现
上层避障指的是如何在悬停模式(Loiter)下实现飞行器避障飞行，需要解决的问题有：1. 如何将接收到的超声波数据传输至ArduPilot应用中；2. 如何在Loiter飞行模式下编写具体的避障控制逻辑。
ArduPilot应用程序接收超声波数据具体实现流程如图7所示。
1. Pixhawk飞控系统依赖的库可以分为三类：核心库，如AP_AHRS捷联惯导库、AP_Motors电机控
制信号解算库、AC_AttitudeControl姿态位置控制库等；传感器库，如AP_InertialSensor陀螺仪和加速度计数据读取库、AP_Baro气压计接口库等；其他库，如AP_Mission用于EEPROM数据存储库、AP_Camera 摄像机控制库等，这些库文件集中在ardupilot/libraries目录下。而在ardupilot/ArduCopter目录下有make.inc 这样一个文件，该文件中定义了飞控系统所依赖的所有库文件，同时在sketch_sources.mk文件中有如下程序，完成make.inc文件中库列表解析，并将所有库的源文件包含进编译系统中。
赵航，王立峰
Figure 7. Flow chart
图7.流程图
本文首先需要在ardupilot/libraries目录下创建新的AP_SerialSonar超声波传感器接口库，定义AP_SerialSonar类和get_sonar_data()接收超声波数据函数，其实现流程如图8所示。首先，在AP_SerialSonar类初始化时，调用orb_subscribe()订阅主题，通过px4_poll()监控px4_pollfd_struct_t结构体指定的文件描述符，当出现有数据可读(POLLIN)合法事件时，调用orb_copy()获取订阅的主题中的数据并将该数据保存到指定的buffer中。
其次，将AP_SerialSonar库加入到飞控编译系统中，即在make.inc文件中添加LIBRARIES+ = AP_SerialSonar。
2. Pixhawk中所有类声明全部封装在ardupilot/ArduCopter/Copter.h，而飞行控制栈初始化工作在init_ardupilot()中完成，为保证系统完整性和统一性，本文需要在以上两个地方完成AP_SerialSonar类声明和初始化。
3. 在飞行控制栈的列表任务调度器中，添加新任务用于更新接收的超声波数据。本文添加的新任务为SCHED_TASK(update_serial_sonar,10,100)，其中任务名为update_serial_sonar，调用频率为10 Hz，期望运行最长时间为100 ms。
4. 添加完新任务之后，需要在ArduCopter.cpp中定义任务的具体实现。调用AP_SerialSonar类中用于接收超声波数据的函数get_sonar_data(),并赋值给预先定义好的全局变量,具体实现流程如图9所示。
本文旨在使飞行器具有快速高效的避障功能，具体实现为飞行器采取向上逃逸模式进行避障，即飞行器检测到障碍物时，飞行器尽快处于悬停状态，然后垂直向上飞行，具体实现流程如图10所示。
Loiter飞行模式下首先将roll、pitch通道输入转换成期望的加速度，raw通道输入转换成偏航角速率，throttle通道输入转化成飞行器的爬升速率，然后调用水平位置控制器、高度控制器和姿态控制器完成对飞行器姿态解算和定点控制。本文飞行避障实现流程首先是在获取滚转和俯仰通道输入之前，对飞行器周围环境进行检测，当检测到障碍物时，进一步对飞行器飞行速度进行判断，如果飞行速度不为零，则将滚转和俯仰通道输入强制置零，使飞行器尽快处于悬停状态；如果飞行器本身就处于悬停状态，则增加油门通道输入值，提高飞行器飞行高度，从而实现飞行避障。
赵航，王立峰
Figure 8. get_sonar_data() flow chart
图8. get_sonar_data()流程图
Figure 9. flow chart
图9.流程图
开发的避障系统相继在Stablize、AltHold、Loiter飞行摸下完成了避障测试，通过Mission Planner观察当飞行器检测到障碍物时，电机输出的情况，图11~图13为避障测试效果图。
赵航，王立峰
Figure 10. Obstacle avoidance flow chart
图10. 避障流程图
Figure 11. Obstacle avoidance chart of Stablize flight mode
图11. Stablize模式下避障效果图
赵航，王立峰
Figure 12. Obstacle avoidance chart of AltHold flight mode
图12. AltHold模式下避障效果图
Figure 13. Obstacle avoidance chart of Loiterflight mode
图13. Loiter模式下避障效果图
5. 结论
本文基于Pixhawk飞控系统，以“X”型四旋翼飞行器为平台，经过多次飞行试验验证，开发的避障系统可以实现飞行器避障功能，具备一定的实用性。
参考文献(References)
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倾转旋翼机模态转换的鲁棒H∞增益调度控制
倾转旋翼机模态转换的鲁棒H∞增益调度控制 蔡系海，付荣，曾建平* （厦门大学航空航天学院，福建厦门 361005） 摘要：本文研究了某小型倾转旋翼无人机模态转换阶段的飞行控制问题。基于鲁棒H∞控制，给出了一种模态转换飞行的增益调度方法，其设计条件具有线性矩阵不等式(LMI)的形式。针对模态转换飞行阶段存在的操纵冗余问题，给出了一套实用的舵效分配策略。最后，对该飞行器转换模态纵向动力学系统进行仿真研究。仿真结果表明，文中方法可以确保飞行器能准确地按照预定轨迹完成模态转换飞行，并对模型中存在的气动参数摄动具有较好的鲁棒性，且能够有效的抑制阵风等外部扰动。 关键词：倾转旋翼无人机；控制分配；增益调度；鲁棒H∞控制 中图分类号：V249.1文献标识码：A 1 引言 倾转旋翼机是一种独特的飞行器，它在常规固定翼飞机的基础上安装了可倾转的旋翼。因此，它既具有像直升机一样垂直起降、悬停和低空低速飞行的能力，又具有像固定翼飞机一样的高速、远距离巡航能力[1]。鉴于这些优势，该机型引起了国内外研究人员的广泛兴趣，并取得了一系列成果。美国军方早在上世纪50年代开始大力研制倾转旋翼机，由贝尔直升机公司设计的XV-3验证了倾转旋翼机的原理[2]。在XV-3的基础上，1973年贝尔公司设计了方案验证机XV-15，该机型验证了倾转旋翼机方案的可行性和任务的适应性[3]。基于美国军方提出的“多军种先进垂直起落飞机”要求，贝尔公司和波音公司于1983年开始研制军用型V-22“鱼鹰”[4]倾转旋翼机。为进一步探索倾转旋翼技术，土耳其学者Ertugrul Cetinsoy设计了一架油电混合动力的具有变形机翼的倾转四旋翼无人机，在综合考虑旋翼倾转受力、油量变化和机翼变形的影响后，建立其非线性动力学模型，分析了该机的控制策略[5]。Farid Kendoul等学者针对拥有一对能够纵向和横向偏转旋翼的倾转旋翼无人机，验证了使用双旋翼进行悬停的可行性，并使用back-stepping方法设计了无人机的增稳和轨迹跟踪控制器[6]。相比西方发达国家，我国在倾转旋翼机方面的研究时间较短。近十年来，我国十分重视倾转旋翼机的研究，尤其是一些高校和研究所正在积极进行相关理论的探索，并在旋翼/机翼气动干扰[7-8]、旋翼/短舱/机翼耦合气弹稳定性[9-10]、倾转过程飞行控制方法[11]等方面取得了阶段性成果。 倾转旋翼机因其独特的构造使其气动特性和稳定性会随着倾转角的改变发生显著的变化，其变化过程不仅是时变的，还是强非线性、强耦合的，整个模态转换飞行阶段存在严重的操纵冗余问题。国外虽已有这些方面的研究，并取得了大量的实验数据[3]，但因涉及过多的倾转旋翼飞行器核心技术机密，并没有太多资料可查阅。 收稿日期：2015-10-21录用日期：2015-11-20 基金项目：国家自然科学基金资助(61374037)；中央高校基本科研业务费专项资金资助(20720150177) *通信作者：jpzeng@https://www.360docs.net/doc/7d13388339.html,
基于Pixhawk的无人机室内通道自主避障研究
0引言近年来，自主导航无人机以其低廉的成本、无人员伤亡风险、机动性能好、使用方便等优势，在高危作业、灾害航拍、抢险布控、环境监测等领域得到了广泛的应用[1]。目前小型自主导航飞行无人机避障仍然是小型四旋翼无人机的发展和突破的关键技术。结构简单，又能有效的避障通过系统是现在小型无人机亟待解决的主要问题。本课题就是以Pixhawk 作为无人机飞控，由树莓派3B +运行MAVROS 以及避障程序，通过串口连接，使用MAVLINK 通讯协议，来给处于离线控制模式（offboard 模式）的无人机飞控发送飞行航点指令，完成室内通道的避障穿越。1系统总体结构基于Pixhawk 飞控的无人机避障系统包括，搭载Pixhawk 的无人机和使用MAVROS 树莓派。无人机避障控制系统结构图如图1所示。四旋翼无人机包括飞行控制系统，和MAVLINK 指令接收系统，飞行控制系统需要运行在Pixhawk 飞控上的PX4飞控源码，其中PX4源码主要包括uorb 、姿态解算、姿态控制、位置解算、位置控制、navigator 、commander 等。 飞控根据接收到的外载计算机发出的期望位置和飞行模 式来进行避障飞行。 树莓派3B+上主要运行MAVROS 、避障航点解算以及 连接超声波传感器。2010年，Willowgarage 公司发布了开 源机器人操作系统ROS （Robot Operating System ）[2]。MAVROS 是ROS 的一个软件包，允许通过mavlink 协议在计算机和飞控板以及地面站之间通讯。通过左侧，前 方，右侧三个方向超声波传感器来估计自身位置，由避障 程序来计算安全飞行路径，通过MAVROS 把指令发送给 无人机进行避障飞行。 无人机机体结构： 人机整体结构包括外形支架结构，控制面板以及起降 辅助系统等。无人机外形支架结构的坠落预防机制和处理 机制需要从材料商选择是考虑结构耐摔、耐压、耐磨损等 因素[2]。无人机的机架不光要承担Pixhawk 飞控，树莓派3B+，超声波传感器以外，还要配置合适的电机和桨叶，以及对电机进行调速的电调，最后还需要供给能源的电池。 同时，无人机的外形要尽可能符合空气动力学，尽可能降 低风阻，质量分布均匀，保持飞机的稳定。无人机的试飞环 境尽可能有一定的空间，防止发生坠机事故造成较大损 失。具体无人机的硬件控制系统的结构如图2所示。Pixhawk 无人机飞控板上集成了加速度计，气压计，陀螺仪磁力计等飞行常用传感器，还可外接GPS 、无线通讯 器的外置信息交互处理硬件。芯片采用STM32F427Cortex M4芯片作为核心处理器，而且还在飞控板上添加一个32bit STM32F103芯片作为协处理器，在主处理器发生故障或出现死机的情况下，由协处理器继续运行PX4源码，保证飞行安全，进一步增加了稳定性[4]。树莓派3B+上接入了三个GY-US42超声波传感器，GY-US42超声波传感器的测量距离为0.2-7.5m ，读取超声波传感器的信息方式为首先在一个引脚设置发出“低高基于Pixhawk 的无人机室内通道自主避障研究Research on Autonomous Obstacle Avoidance of Indoor Channel of UAV Based on Pixhawk 杨旗YANG Qi ;崔玉博CUI Yu-bo ;陈杰CHEN Jie ;王家楠WANG Jia-nan （沈阳理工大学机械工程学院） （School of Mechanical Engineering ，Shenyang Ligong University ） 摘要:针对目前的无人机自主避障研究，以及无人机穿越的需求，提出了一套能完成避障穿越的四旋翼无人机避障系统。其中采用了Pixhawk 作为无人机的飞行控制器，树莓派3B+上来运行MAVROS 和避障算法，以及连接超声波传感器，通过超声波传感器来判断无人机当前位置，通过MAVLINK 发布安全航点给无人机，进行避障穿越飞行。 Abstract:Aiming at the current research on autonomous obstacle avoidance of UAVs and the demand for UAV crossing,a set of four-rotor UAV obstacle avoidance systems capable of completing obstacle avoidance crossing is proposed.The Pixhawk is used as the flight controller of the drone,the Raspberry Pi 3B+is used to run the MAVROS and obstacle avoidance algorithms,and the ultrasonic sensor is connected.The ultrasonic sensor is used to judge the current position of the drone,and the safe waypoint is issued to the unmanned via MAVLINK machine to carry out obstacle avoidance flight.关键词:无人机避障；室内飞行；通道穿越；MAVROS ；超声波测距Key words:drone obstacle avoidance ；indoor flight ；channel crossing ；MAVROS ；ultrasonic ranging ———————————————————————基金项目:本项目受辽宁省科技厅基金资助（基于TRIZ 理论的多无人机协同多视角场景人体行为识别研究，项目编号20170060）。作者简介:杨旗（1976-），男，辽宁沈阳人，副教授，博士。图1无人机避障控制 系统结构图
倾转旋翼式无人机及应用
倾转旋翼式无人机 一．研究背景及发展现状： 无人机的起源并不算晚，早在1914 年，英国军事航空学会就批准了当时世界上第一个无人机计划，准备用于第一次世界大战。1935 年，DH.82B 蜂王号的诞生给无人机历史上留下了浓墨重彩的一笔，这种飞机采用导航技术，可以自主返回起飞点，使得无人机可以重复飞行，大大提高了无人机的实用价值。此后，一些高精密以及昂贵的设备开始在无人机设计中越来越多的应用，无人机的性能得到大幅度提高。随着航空技术的变革，无人机自主控制程度越来越高，也越来越智能。不仅如此，无人机的结构也不再局限于早期的固定翼结构，随着人们对无人机的应用需求日益增多，许多新型无人机应运而生。 由于倾转旋翼无人机机既有旋翼又有机翼,在旋翼倾转过程中气动特性比较复杂,存在着动力学分析、旋翼/机翼耦合动载荷和稳定性等技术难题,因此其研制周期较长、研制费用高等缺点。此外,由于倾转旋翼机采用双旋翼,其飞机设计结构上存在欠缺,在操纵与控制上存在一定困难。其过渡过程的稳定控制是目前最迫在眉睫的问题。 国外：目前美国贝尔直升机公司研制出鱼鹰系列的倾转旋翼式直升机并成功试飞，投入使用，但在使用期间也并不是一帆风顺，曾出现过重大事故，欧洲航空工业界也在积极研制倾转旋翼机。1987 年初,“尤洛法”(EuroFAR)的倾转旋翼运输机在欧洲委员会资助下进行了可行性方案论证。1999 年多家欧洲公司联合研究名为“尤洛泰特”(Eurotilt)的倾转旋翼机制造实验台,设计巡航速度556 千米/小时、航程1481 千米和使用升限7620 米。与此同时,意大利阿古斯塔公司宣布一款名为“尤利卡”(Erica)的倾转旋翼机。1999 年10 月欧洲委员会将“尤利卡”与“尤洛泰特”合并成“第二代欧洲高效倾转旋翼机”。 国内：倾转旋翼机在国内的发展起步较晚,而且主要是对于倾转双旋翼机理论技术方面
超声波避障无人机
超声波其实就是声波的一种，超声波因其频率下限大于人的听觉上限而得名。一个比较形象的比喻就是蝙蝠。这种飞行类哺乳动物，通过口腔中喉部的特殊构造来发出超声波，当超声波遇到猎物或者障碍的时候就会反射回来，蝙蝠可以用特殊的听觉系统来接收反射回来的信号，从而探测目标的距离，确定飞行路线。超声波是最简单的测距系统，绝大部分生活中遇到的测距系统都是使用的这种技术，最常见的就是汽车的倒车雷达。在无人机上加装定向的超声波发射和接收器，然后将其接入飞控系统即可。 但是，超声波在无人机避障系统的应用中也有比较明显的干扰问题。虽然超声波避障系统不会受到光线、粉尘、烟雾，但在部分场景下也会受到声波的干扰。 其次，如果物体表面反射超声波的能力不足，避障系统的有效距离就会降低，安全隐患会显著提高。一般来说，超声波的有效距离是5米，对应的反射物体材质是水泥地板，如果材质不是平面光滑的固体物，比如说地毯，那么超声波的反射和接收就会出问题。 无人机避障系统 对于无人机来说，这种超声波系统应该放在多个方向，比如放在前后左右四个方向，可以在悬停和飞行的时候对周围保持监控;而放在机身下方和上方，则可以在起飞、下降以及降落的时候避免速度太快碰到障碍物或者地面。 往往人们总喜欢拿超声波于红外线做对比，那是由于超声波测距的原理比红外线更加简单，因为声波遇到障碍物会反射，而声波的速度已知，所以只需要知道发射到接收的时间差，就能轻松计算出测量距离，再结合发射器和接收器的距离，就能算出障碍物的实际距离。推荐阅读：避障无人机-视觉避障 超声波测距相比红外测距，价格更加便宜，相应的感应速度和精度也逊色一些。同样，由于需要主动发射声波，所以对于太远的障碍物，精度也会随着声波的衰减而降低，此外，对于海绵等吸收声波的物体或者在大风干扰的情况下，超声波将无法工作。
无人机飞行控制方法概述
2017-10-08 GaryLiu 于四川绵阳 无人机的飞行控制是无人机研究领域主要问题之一。在飞行过程中会受到各种干扰，如传感器的噪音与漂移、强风与乱气流、载重量变化及倾角过大引起的模型变动等等。这些都会严重影响飞行器的飞行品质，因此无人机的控制技术便显得尤为重要。传统的控制方法主要集中于姿态和高度的控制，除此之外还有一些用来控制速度、位置、航向、3D轨迹跟踪控制。多旋翼无人机的控制方法可以总结为以下三个主要的方面。 1.线性飞行控制方法 常规的飞行器控制方法以及早期的对飞行器控制的尝试都是建立在线性飞行控制理论上的，这其中就有诸如PID、H∞、LQR以及增益调度法。 1)PID PID控制属于传统控制方法，是目前最成功、用的最广泛的控制方法之一。其控制方法简单，无需前期建模工作，参数物理意义明确，适用于飞行精度要求不高的控制。 2)H∞ H∞属于鲁棒控制的方法。经典的控制理论并不要求被控对象的精确数学模型来解决多输入多输出非线性系统问题。现代控制理论可以定量地解决多输入多输出非线性系统问题，但完全依赖于描述被控对象的动态特性的数学模型。鲁棒控制可以很好解决因干扰等因素引起的建模误差问题，但它的计算量非常大，依赖于高性能的处理器，同时，由于是频域设计方法，调参也相对困难。 3)LQR LQR是被运用来控制无人机的比较成功的方法之一，其对象是能用状态空间表达式表示的线性系统，目标函数是状态变量或控制变量的二次函数的积分。而且Matlab软件的使用为LQR的控制方法提供了良好的仿真条件，更为工程实现提供了便利。 4)增益调度法 增益调度（Gain scheduling）即在系统运行时，调度变量的变化导致控制器的参数随着改变，根据调度变量使系统以不同的控制规律在不同的区域内运行，以解决系统非线性的问题。该算法由两大部分组成，第一部分主要完成事件驱动，实现参数调整。如果系统的运行情况改变，则可通过该部分来识别并切换模态；第二部分为误差驱动，其控制功能由选定的模态来实现。该控制方法在旋翼无人机的垂直起降、定点悬停及路径跟踪等控制上有着优异的性能。 2.基于学习的飞行控制方法 基于学习的飞行控制方法的特点就是无需了解飞行器的动力学模型，只要一些飞行试验和飞行数据。其中研究最热门的有模糊控制方法、基于人体学习的方法以及神经网络法。 1)模糊控制方法（Fuzzy logic） 模糊控制是解决模型不确定性的方法之一，在模型未知的情况下来实现对无人机的控制。 2)基于人体学习的方法（Human-based learning） 美国MIT的科研人员为了寻找能更好地控制小型无人飞行器的控制方法，从参加军事演习进行特技飞行的飞机中采集数据，分析飞行员对不同情况下飞机的操作，从而更好地理解无人机的输入序列和反馈机制。这种方法已经被运用到小型无人机的自主飞行中。 3)神经网络法（Neural networks）
旋翼式无人机的发展和趋势
Artificial Intelligence and Robotics Research 人工智能与机器人研究, 2013, 2, 16-23 https://www.360docs.net/doc/7d13388339.html,/10.12677/airr.2013.21003 Published Online February 2013 (https://www.360docs.net/doc/7d13388339.html,/journal/airr.html) Development and Trend of Unmanned Rotorcraft Tianhang Zhang, Jinping Bai School of Aeronautics & Astronautics, University of Electronic Science and Technology of China, Chengdu Email: simayichen@https://www.360docs.net/doc/7d13388339.html, Received: Nov. 1st, 2012; revised: Dec. 2nd, 2012; accepted: Dec. 13th, 2012 Abstract: With the rapid development of the unmanned rotorcraft, more and more attention has been paid on it in many field. In this paper, the general classification, technical composition, applications and development situation of un-manned rotorcraft is introduced. And the development trend of unmanned rotorcraft in the future is also predicted. Keywords: Unmanned Rotorcraft; Ground Control Station; Task Load; Development 旋翼式无人机的发展和趋势 张天航，白金平 电子科技大学航空航天学院，成都 Email: simayichen@https://www.360docs.net/doc/7d13388339.html, 收稿日期：2012年11月1日；修回日期：2012年12月2日；录用日期：2012年12月13日 摘要：旋翼式无人机的高速发展已经受到了各个领域的高度重视，本文介绍了旋翼式无人机的大体分类、技术组成、应用领域、发展现状，并预测了旋翼式无人机未来的发展趋势。 关键词：旋翼式无人机；地面站；任务载荷；发展 1. 引言 无人机是指可重复使用的无人驾驶飞行器(UA V, Unmanned Aerial Vehicle)，有相应的航电系统、传感器系统、通信系统、飞行控制系统等，具有自主飞行和独立完成某项任务的功能，也有人称之为空中机器人。相对于有人驾驶飞行器，无人机具有造价低廉，适用于多种复杂任务环境、可降低人员伤亡等优点。英国早在1917年就研制成功了世界上第一架无人机，到20世纪80年代左右，无人机的发展逐渐得到重视。随着无人机在几次局部战争中大放异彩，其在各个领域中的应用价值也体现出来。目前，世界上很多国家都展开了无人机的研究和制造。 旋翼式无人机是无人机的一个主要分类，依靠一个或者多个旋翼提供机体的升力和动力。美国在20世纪50年代就开始了无人直升机的研制工作。随着无人机在各个领域中的深入发展，旋翼式无人机以其独特的空中悬停能力、较固定翼式无人机更优良的低空低速特性、对起降场地的低要求、极佳的机动灵活性以及高可靠性得到了越来越多的青睐，被广泛运用于军民各个行业。 整个旋翼式无人机系统是一个综合了空气动力学、导航制导、无线通信、电子信息、智能控制、系统软件等多项技术的复杂系统。 2. 旋翼式无人机系统 2.1. 旋翼式无人机的发展 世界上第一架具有实用性的直升机是俄籍美国人埃格·西科斯基制造的“VS-300”，它于1939年9月14日完成首飞，确立了旋翼式飞机的主流布局——单旋翼带尾桨。
MD4四旋翼无人机
md4-1000型四旋翼无人机系统介绍 一、系统组成 “md4”系列四旋翼无人机系统由五个主要部分组成：飞行器、数字遥控器、地面站系统、机载任务设备和附属设备。 飞行器是无人机系统的主体，根据指令完成飞行任务。 数字遥控器用于对飞行器的实时操作，可以实时监控飞行器的各项状态指标。 地面站系统主要由笔记本电脑和微波信号传输系统构成，可以通过微波，实时接收飞行器上机载设备拍摄的实时影像，以及实时监控飞行的各项状态指标。 机载任务设备根据客户需要，可选配不同类型的酬载设备，如数码相机、高清摄像机、微光摄像机、红外摄像机等，完成不同的拍摄任务。 附属设备包括电池、充电箱、数据线等系统配件。 飞行器
数字遥控器 一体化地面站
机载任务设备 附属设备
二、系统技术参数
三、系统特性 1、可以定点悬停，稳定地拍摄感兴趣区域地物； 2、可以根据GPS信号，按照线路规划自主航行；没有GPS信号时也可以进行飞行，甚 至在室内飞行； 3、具有高性能平衡云台，可以在大风中依然保证酬载设备得到稳定的目标影像； 4、可以搭载高清摄影机、高画质的相机等设备，并可以进行自由调焦，以得到目标部 位最清晰的影像； 5、数传系统抗干扰性强，可以在距离电力线设备最近3m位置拍摄而信号不受干扰； 6、工业性能好，可以在强风、大雨的情况下正常起飞、作业，在紧急情况下也可以完 成任务； 7、操作简单，熟练的话，一个人即可进行操作；新手的话，两个人配合即可进行操作； 8、具备电量安全提示，当电量低于额定值时报警，当电量低于最低电压时即便人不在 现场也可以自动执行降落操作，保证无人机系统的安全； 9、采用微波作为数传系统，地面端可以实时得到高清影像； 10、具有电子围栏功能，具备位置记忆功能，可以在无操作的情况下，自动回到原来 的位置悬停拍摄； 11、对起飞场地没有要求，3×3m的场地即可实现垂直起降； 12、电机具有优良的散热性能，可以在每次飞行结束后更换电池进行再次飞行，达到 全天作业的目的；
基于Pixhawk的多旋翼无人机避障 飞行系统研发
Dynamical Systems and Control 动力系统与控制, 2017, 6(3), 98-108 Published Online July 2017 in Hans. https://www.360docs.net/doc/7d13388339.html,/journal/dsc https://https://www.360docs.net/doc/7d13388339.html,/10.12677/dsc.2017.63013 文章引用: 赵航, 王立峰. 基于pixahwk 的多旋翼无人机避障飞行系统研发[J]. 动力系统与控制, 2017, 6(3): 98-108. Study on Obstacle Avoidance Flight System of Multi-Rotor UAV Based on Pixhawk Hang Zhao, Lifeng Wang Field Bus Technology & Automation Lab, North China University of Technology, Beijing Received: May 2nd , 2017; accepted: Jun. 10th , 2017; published: Jun. 13th , 2017 Abstract Autonomous obstacle avoidance is an important guarantee for the successful completion of the mission, and it reflects the intelligence and security of the aircraft. This article aims to study the obstacle avoidance technology of multi-rotor UAV based on the cross type quadrotor and Pixhawk which is the open source flight control system. A simple and efficient obstacle avoidance system is developed. The flight test shows that the obstacle avoidance system can realize the obstacle avoidance of UAV. Keywords Pixhawk, Quadrotor, Obstacle Avoidance 基于Pixhawk 的多旋翼无人机避障 飞行系统研发 赵 航，王立峰 北方工业大学现场总线技术及自动化实验室，北京 收稿日期：2017年5月2日；录用日期：2017年6月10日；发布日期：2017年6月13日 摘 要 飞行器的自主避障是顺利完成飞行任务的重要保证，同时在很大程度上体现了飞行器的智能性和安全性。本文以Pixhawk 开源飞控系统为基础，以“X ”型四旋翼飞行器为平台，对多旋翼飞行器自主避障技术进行研究，开发出一款简单高效避障系统。飞行试验表明该避障系统可实现飞行器避障飞行。
基于MATLAB环境的四旋翼无人机避障控制方法研究
基于MATLAB 环境的四旋翼无人机避障控制方法研究 1.1 前言 无人机在飞行过程中往往会遇到障碍物分布，在检测到存在障碍物之后就需要采取有效的避障措施避免发生碰撞。这一过程可以分为避障动作控制与避障路径规划两个部分。针对避障动作控制问题，本章将对无人机展开动力学分析后建立辅助避障系统模型，再利用遗传算法实现动作操作的精确控制。针对避障路径规划问题，本章提出了一种基于自适应遗传算法的避障路径规划模型，帮助实现最优路径选择。 1.2 无人机避障系统模型 1.2.1 无人机位置模型 就本质而言，无人机避障是对其位置进行控制的过程。因此首先需要建立起能够反应无人机所处位置的完善系统。此外，由于无人机运行中需要一定的空间体积，而且在改变飞行状态时也需要考虑其姿态的变化，故而也有必要对其进行姿态控制。无人机的位置控制与姿态控制分别涉及到无人机机体坐标系与地面坐标系，两者分别如图4.1表示。 图4.1 无人机机体坐标系与地面坐标系 图中无人机机体坐标系V b 以无人机机身本体的几何中心为原点，以无人机的横滚、俯仰以及垂直无人机机体向上方向作为无人机机体坐标系V b 的三个坐标轴。地面坐标系V g 则以无人机的起飞位置作为坐标原点，三个坐标轴分别取为正东方向、正北方向与垂直地面向上方向。无人机机体坐标系V b 与地面坐标系V g 之间可以相互转化，具体的转化公式为： b n c c s s s c s s s c s c R c s c c s s c c s s s s c s c c c θψθφψθψθφψθφφψφψφθψθφψθψθφψ θφ-+-?? ??=-? ???+-?? (4.1) 在上述两个坐标系中可以实现无人机位置的准确描述，以此为基础， 可以进
【CN109946971A】一种倾转旋翼无人机过渡段的光滑切换控制方法【专利】
(19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201910270627.1 (22)申请日 2019.04.04 (71)申请人 南京航空航天大学 地址 211106 江苏省南京市秦淮区御道街 29号 (72)发明人 邹怡茹 刘春生 (74)专利代理机构 南京苏高专利商标事务所 (普通合伙) 32204 代理人 王安琪 (51)Int.Cl. G05B 13/04(2006.01) (54)发明名称 一种倾转旋翼无人机过渡段的光滑切换控 制方法 (57)摘要 本发明公开了一种倾转旋翼无人机过渡段 的光滑切换控制方法，在所建立倾转旋翼飞行器 纵向非线性模型的基础上，选取飞行速度和短舱 倾角作为特征参数，对配平工作点拟合得到飞行 转换路径；根据所选取工作点进行全局状态空间 划分，从而建立起倾转旋翼机切换控制模型；根 据所述切换模型设计切换律，得到各子控制器及 子系统切换条件；进一步以切换参数作为输入对 实际飞行模态进行模糊推理，根据模糊推理结果 对各个子系统控制律进行加权，得到光滑切换控 制律。本发明针对倾转旋翼机在飞行模态转换过 程中系统参数变化大的特点，设计多模态切换控 制律，减小控制系统负担，同时减小了切换过程 中控制信号跳变给系统带来的恶劣影响。权利要求书3页 说明书8页 附图5页CN 109946971 A 2019.06.28 C N 109946971 A
1.一种倾转旋翼无人机过渡段的光滑切换控制方法，其特征在于，包括如下步骤： (1)对倾转旋翼机进行各部件进行气动建模，并通过平动动力学方程和转动动力学方程得到倾转旋翼无人机纵向非线性模型； (2)选取短舱倾角作为特征参数，对倾转旋翼机进行不同工作点处的配平，根据定高飞行的控制要求选择过渡段的工作点，对不同短舱倾角处的工作点进行拟合，得到倾转旋翼机飞行转换路径，根据飞行转换路径上的工作点建立起以短舱倾角和飞行速度为切换参数的切换模型； (3)通过寻找各模态下的Lyapunov矩阵设计切换子系统的切换频率，从而求解得到使得切换过程稳定的各子系统平均驻留时间，通过求解线性矩阵不等式得到使得各闭环子系统有限时间稳定的控制器增益K，通过设计切换条件和各子控制器增益得到基于时间依赖的切换系统稳定条件； (4)根据模糊加权思想，对各模态下子控制增益进行模糊加权；以短舱倾角和飞行速度作为输入，对系统进行模糊推理，模糊推理判断出实际飞行器所处的飞行模态，从而计算出步骤三中所求得子控制器的权重，根据该权重对子控制器进行加权，所得实际控制器取决于对飞行对象模型和各个工作点模型的匹配程度。 2.如权利要求1所述的倾转旋翼无人机过渡段的光滑切换控制方法，其特征在于，步骤 (1)中，对倾转旋翼机进行各部件进行气动建模，并通过平动动力学方程和转动动力学方程得到倾转旋翼无人机纵向非线性模型具体为：在计算力和力矩时，对左右旋翼、左右机翼、垂尾、平尾、机身每一部分进行气动力建模，在倾转旋翼飞行器中，根据分体建模法得到倾转旋翼机气动力关系，再通过平动动力学方程和转动动力学方程得到倾转旋翼无人机纵向非线性模型f。 3.如权利要求1所述的倾转旋翼无人机过渡段的光滑切换控制方法，其特征在于，步骤 (2)中，为实现倾转旋翼无人机飞行转换过程中的定高控制，在不同工作点配平时垂向速度应为0；选取过渡段短舱倾角为45°，55°,65°的工作点代表倾转旋翼的过渡过程；根据此要求用MATLAB中的trim函数对非线性模型进行配平，得到不同短舱倾角下配平时对应的状态量和输入量；在配平的基础上，用linmod函数将模型进行线性化，得到不同配平点附近的线性模型；将所得到的工作点用以下Gaussian函数进行拟合， 全模式飞行转换路径为： 其中，a 1、a 2、a 3、a 4、a 5、a 6、b 1、b 2、b 3、b 4、b 5、b 6、c 1、c 2、c 3、c 4、c 5、c 6为拟合飞行转换路径的高斯函数系数； 沿着全模式飞行路径，以倾转旋翼机短舱倾角βM 和飞行速度V作为切换参数 ρ(βM ,V)，选取状态向量x＝[V x V y ωz θ]T ，输入向量u＝[δc δlong δe ]T ， 建立起倾转旋 翼机线性切换模型如下： 权 利 要 求 书1/3页2CN 109946971 A
消防用多旋翼无人机系统技术标准
UAV 中国无人机产业联盟标准 消防用多旋翼无人机系统 技术要求 2015-10-31发布——————————————————————————————————— 中国无人机产业联盟发布
前言 本标准的全部技术内容为行业内认可标准。 本标准按照GB/T 1.1-2009给出的规则起草。 本标准由中国无人机产业联盟提出。 本标准主要起草单位：国鹰航空科技有限公司、中国电子科技大学、南京航空航天大学、西北工业大学、海鹰航空通用装备有限责任公司、华南理工大学、哈尔滨工程大学、深圳一电科技有限公司、深圳市科比特航空科技有限公司、广州长天航空（Space Arrow）科技有限公司、深圳九星智能航空科技有限公司、深圳九星天利科技有限公司、深圳科卫泰实业发展有限公司、中国人民解放军总参谋部第六十研究所、深圳洲际通航科技有限公司、深圳市彩虹鹰无人机研究 院有限公司、深圳市创翼睿翔天空科技有限公司、保千里视像科技集团股份有限公司、深圳华越无人机技术有限公司、深圳高科新农技术有限公司、深圳市艾特航空科技有限公司、深圳市盛禾无人飞机科技有限公司、深圳警圣电子科技有限公司、深圳市森讯达电子有限公司、深圳金狮安防无人机有限公司、广东泰一高新技术发展有限公司、南京交研科技实业有限公司、合肥佳讯科技有限公司、安徽泽众安全科技有限公司、深圳市万华信息科技有限公司、天仞航空科技有限公司、承德鹰眼电子科技有限公司。 本标准主要起草人：陶军生、胡志昂、宋鸿、杨金才、孙志坚、饶军、邵振海、吕明云、李春波、肖文建、刘伟、杨金铭、庞伟。 本标准与2015年10月31日发布。
目次 1 范围 (4) 2 规范性引用文件 (4) 3 术语 (4) 4 系统构成 (5) 5 技术要求 (5) 5.1 功能要求 (5) 5.2 性能要求 (6) 6 信息传输 (7) 6.1 通用要求 (7) 6.2 视频流传输 (7) 7 环境适应性 (7) 7.1 气候环境适应性 (7) 7.2 机械环境适应性 (8) 8 安全性 (9) 8.1 绝缘电阻 (9) 8.2 抗电强度 (9) 8.3 泄漏电流 (9) 8.4 防过热 (10) 9 电磁兼容 (10) 9.1 电磁干扰 (10) 9.2 电磁辐射防护 (11) 10 质量保证规定 (11) 10.1 检验与测试 (11) 10.2 原材料质量 (11) 11 产品信息要求 (11) 11.1 产品标志 (11) 11.2 产品清单 (11) 11.3 产品说明书 (11)
详细解析无人机飞控技术
详细解析无人机飞控技术 以前，搞无人机的十个人有八个是航空、气动、机械出身，更多考虑的是如何让飞机稳定飞起来、飞得更快、飞得更高。如今，随着芯片、人工智能、大数据技术的发展，无人机开始了智能化、终端化、集群化的趋势，大批自动化、机械电子、信息工程、微电子的专业人材投入到了无人机研发大潮中，几年的时间让无人机从远离人们视野的军事应用飞入了寻常百姓家、让门外汉可以短暂的学习也能稳定可靠的飞行娱乐。不可否认，飞控技术的发展是这十年无人机变化的最大推手。 飞控是什么？ 飞行控制系统（Flight control system）简称飞控，可以看作飞行器的大脑。多轴飞行器的飞行、悬停，姿态变化等等都是由多种传感器将飞行器本身的姿态数据传回飞控，再由飞控通过运算和判断下达指令，由执行机构完成动作和飞行姿态调整。 控可以理解成无人机的CPU系统，是无人机的核心部件，其功能主要是发送各种指令，并且处理各部件传回的数据。类似于人体的大脑，对身体各个部位发送指令，并且接收各部件传回的信息，运算后发出新的指令。例如，大脑指挥手去拿一杯水，手触碰到杯壁后，因为水太烫而缩回，并且将此信息传回给大脑，大脑会根据实际情况重新发送新的指令。无人机的飞行原理及控制方法（以四旋翼无人机为例） 四旋翼无人机一般是由检测模块，控制模块，执行模块以及供电模块组成。检测模块实现对当前姿态进行量测；执行模块则是对当前姿态进行解算，优化控制，并对执行模块产生相对应的控制量；供电模块对整个系统进行供电。 四旋翼无人机机身是由对称的十字形刚体结构构成，材料多采用质量轻、强度高的碳素纤维；在十字形结构的四个端点分别安装一个由两片桨叶组成的旋翼为飞行器提供飞行动力，每个旋翼均安装在一个电机转子上，通过控制电机的转动状态控制每个旋翼的转速，来提供不同的升力以实现各种姿态；每个电机均又与电机驱动部件、中央控制单元相连接，
倾转旋翼无人机介绍及应用现状分析
倾转旋翼无人机介绍及应用现状分析无人直升机可以垂直起降不受场地限制，但是续航时间和速度却相对受限。固定翼无人机续航时间长、速度高但却需要起飞跑道。自上个世纪，技术人员就开始在二者之间不断探索，旨在寻找一种既可以垂直起降又能保障高航速和长航时的整合型技术。上世纪末，倾转旋翼无人机技术应运而生。 倾转旋翼无人机结合了直升机机和固定翼的优点，既有旋翼又有固定机翼，而且旋翼可以从垂直位置转向水平位或者从水平位置转到垂直位置，因此这种无人机兼具垂直/短距离起降和高速巡航的特点。目前从世界范围来看，倾转旋翼技术还处于起步阶段，只有少数国家技术相对成熟。 领跑全球：美国和以色列倾旋翼无人机技术世界领先 最具代表性的倾转旋翼无人机当属美国的“鹰眼”无人机。该无人机由美国贝尔公司研制，于2006年进入海军现役，主要用于执行侦察、监视、搜索、战损评估、通信中继和电子对抗等操作。 “鹰眼”由复合材料制造，机身结构紧凑，整体呈扁豆型，具有防腐蚀、防霉菌和防盐雾的能力。机体由前机身、中机身、尾机身、机翼襟副翼和短舱组成，而且机体大部分可以拆卸，便于运输和维护。该无人机最为显著的特点就是其旋翼可以倾转。无人机起飞和着陆时，旋翼轴处于垂直状态，因此可以保障无人机的垂直起降。成功飞机后，旋翼轴会转变为水平状态，使无人机由直升机模式成功过渡到飞行模式。
“鹰眼”无人机长18英尺3英寸（约5.56米）、翼展24英尺2英寸（约7.37米）、高6英尺2英寸（约1.88米）。空机质量为590千克，整机总重2250千克。该无人机最大航行速度达到225英里/小时（约360千米/小时），续航时间6小时，最高可飞至6096米。与固定翼无人机相比，“鹰眼”可垂直起降、空中悬停、操作灵活。与无人直升机相比，“鹰眼”巡航速度快、航时长、飞行包线大。 以色列无人机在全球一直处于领先地位，在倾转旋翼技术领域亦不逊色。在2010年，以色列航空工业公司（IAI）研发的“黑豹”（panther）正式亮相。 “黑豹”具备倾转旋翼推进系统，能够自由起飞和降落，无需专门的起降地点。而且采用了自动飞行控制系统，可以确保飞机在垂直起降和水平飞行两种状态之间正常转换。此外，该无人机还搭载了IAI公司自主研发的迷你光电/红外传感器。 “黑豹”的动力装置为3台“超静音”电动机。飞机重约为65千克，续航时间6小时，操作半径超过60千米，飞行高度为10000英尺（约3千米）。在研发该无人机的同时，以色列还设计了迷你版“黑豹”，迷你版重12千克，续航时间约为2小时。 后起之秀：韩国推出“TR-60”无人机 韩国于今年四月推出了一款倾转旋翼无人机样机TR-60。这款无人机采用了类似美国V-22“鱼鹰”（美国的一款有人倾转旋翼飞机）的倾转旋翼技术，
多旋翼无人机飞行控制系统设计研究
www?ele169?com | 27实验研究 0 引言 多旋翼无人机是集合多项现代高新科技的成果，无人机 行业的蓬勃发展是中国崛起、中国航空产业崛起的重要体现，多旋翼无人机具有系统安全性好、可靠性高、负载能力强等特点，具有非常广阔的应用前景。多旋翼无人机的作业方式相比于传统的人工作业方式，大大提高了作业效率、降低作业成本与风险。在无线通信技术与图像处理技术快速发 展的背景下，多旋翼无人机逐渐向智能化的方向发展，另外， 独特的机械结构使多旋翼无人机更加灵活。随着无人机在人们生活中的进一步普及，无人机故障的影响也会越来越大，在大多数故障中，主要是控制器故障后果最为严重，所以飞行控制器的结构健康管理始终受到人们高度重视。1 多旋翼无人机任务需求分析 多旋翼无人机飞行控制系统主要服务于公安消防、公共 安全、勘察搜救等领域，对无人机的飞行安全、可靠性等要求较高，针对多旋翼无人机所应用的特殊场合，其飞行控制 系统需要具备以下性能指标：首先要具备机载飞控系统与地面站两部分，由机载飞控 系统来进行控制律的运算，通过电机控制指令对地面站发送的信息进行接收。地面站会显示无人机当前的飞行状态以及 主控件的基本性能。其次要具有良好的传感器以及多种飞行模式，传感器主要对无人机飞行姿态、高度、位置等信息进行采集，通过机载计算机对相应数据进行处理，多旋翼无人机存在多种飞行模式，需要根据实际情况选择最佳飞行模 式。最后，多旋翼无人机飞行控制系统要具有多种读取遥控 信号的方式，实现多种多旋翼无人机的飞行控制。还要具有在线调整及保存相关的控制参数功能、在异常情况下应急处理功能等。根据多旋翼无人机飞控系统的要求指标，提出了飞控系统具体的设计要求： ■1.1 飞行控制处理器 飞行控制处理器需要对传感数据进行收集并处理，对控 制律进行运算，保持与地面站之间通信畅通。飞行控制处理器只有缩短调节电机转速的指令周期，才能更好的发挥控制性能。由于飞行控制处理器面临的任务众多，所以要求飞控处理器处理速度快、计算能力强。飞控处理器必须快速对传感器数据进行读取，第一时间与无线通信设备进行连接，实现与地面站之间的通信，另外飞控处理器必须具备存储空间大、低功耗、体积小等特点。 ■1.2 传感器传感器需要选择精度较高的传感器以及通信距离较远的无线通信设备，满足飞控系统的性能指标，确保传感器使用简单、通信接口通用。 ■1.3 软件开发多旋翼无人机的飞控软件系统要有很强的可靠性与稳定性，具备通信链路异常状况下的紧急处理，具备相应的备份程序，避免无人机在飞行过程中发生故障，另外地面站要具备故障报警功能。飞行控制系统的采样频率不易过小以免出现控制输出调节量滞后造成严重后果。2 多旋翼无人机飞行控制系统总体架构设计多旋翼无人机飞行控制系统总体架构由机载部分与地面站部分组成，机载部分主要由飞控处理模块、传感器模块、电源模块、执行机构构成。地面部分与机载部分之间的信息交互 主要通过无线通信模块来完成。飞控系统总体架构如图1所示。图1 飞控系统总体架构 ■2.1 飞控系统硬件平台设计当前的飞行控制系统控制芯片多采用ARM、DSP 等高 速处理器，单处理器的使用会抑制控制系统的进一步拓展，多旋翼无人机飞行控制系统设计研究张建学 （中国民航飞行学院计算机学院，四川广汉，618307）摘要：多旋翼无人机具有优良的操作性能、维护简单、成本较低等特点，已经成为微小型无人机的主流，获得了广大的消费群体。飞控系统作为无人机的核心技术，始终是无人机学术与工程领域研究的热点。本文以多旋翼无人机为研究对象，根据多旋翼无人机的结构特点，对飞行控制系统进行设计与研究，从硬件原理与软件原理对多旋翼无人机飞行控制系统的构建过程进行详细介绍。关键词：多旋翼；无人机；飞控系统
二轴倾转旋翼无人机的设计及实现
- 4 - 高 新 技 术 ０ 引言 倾转旋翼机作为一种新型旋翼飞行器，是将直升机及固定翼无人机相结合而产生的一种新概念航空器，该飞行器的起降是依靠飞行器的主轴倾转，带动飞行器的发动机一同发生倾转，实现飞行器由垂直起降向水平飞行阶段的过渡。其有效融合了直升机和固定翼无人机各自的优点，既拥有直升机垂直起降和空中悬停的能力，又拥有固定翼无人机高速巡航飞行的能力，航程比直升机更远，航速更高，以及具有比固定翼无人机更高的机动性和更小的起降区域。 １ 二轴倾转旋翼无人机设计 倾转旋翼无人机主要向2个方面发展：一是依靠对称分布在翼尖两侧的发动机吊舱进行倾转改变姿态，二是将发动机固定在机翼上，旋转机翼进行姿态的转变。 如图1所示，该文设计的二轴倾转旋翼无人机动力系统将由2个无刷电机组成的吊舱分布在翼尖两侧，在机载飞控系统的控制下，通过采集多个传感器的实时信号，经过内部的 STM32处理器进行处理，改变两侧吊舱的旋转角度，从而实现飞机垂直起降、固定翼巡航。该文设计的二轴倾转旋翼无人机在垂直姿态下采用电机差速控制方向，相比于直升机的桨距控制，其有着结构简易可靠、后期维护方便、姿态转换过程稳定等优点。 图1 二轴倾转旋翼无人机 １．１ 翼型选择 机翼作为飞机的重要组成部分，承担着为飞机提供升力的任务。机翼主要由翼肋构成，不同的翼肋有着不同的翼型，不同的翼型其作用也有所不同。为了满足该文设计的无人机在进行姿态转换时不掉高度且机体稳定不抖动的要求，需选择一种具有适中升阻比且飞行性能稳定的翼型，并对攻角对翼型气动特性的影响进行研究。 １．２ 攻角对翼型气动特性的影响 该文通过在Profili 翼型库中对多种翼型进行选择，最终选取5种不同类型的翼型进行比较。由图2可知，5种翼型的升阻比总趋势为先增后减，在攻角为4.5°左右时，Clark V 翼型升阻比最高，在此状态下提供的升力最大，飞行性能更佳，但随着攻角的变化，Clark V 翼型升阻比变化趋势偏大，从稳定性而言，升阻比的急剧变化不利于飞机的飞行稳定。Aquila 翼型升阻比变化趋势较缓，飞行性能更稳定，并且升阻比较高，能提供可观的升力，因此选取Aquila 翼型为该文设计的无人机的翼型。 １．３ 倾转机构与机翼设计 该文设计的倾转旋翼无人机的倾转机构以发动机吊舱对称分布在翼尖两侧，通过改变吊舱旋转角度实现垂直飞行和水平飞行。在垂直飞行过程中，无人机竖直向上的推重比需大于１，在水平飞行过程中，无人机的推重比需维持在0.4左右，因此无人机在过渡飞行时，推力的急剧变化对倾转机构结构强度与机翼的连接结构有着很大的挑战。 利用榫卯结构对吊舱及连接结构进行设计，吊舱与机翼采用外径12 mm、内径8 mm 的3K 碳纤维圆管连接。图3为吊舱与左侧机翼的三维建模，机翼翼展977 mm，弦长240 mm，吊舱长205 mm，宽47 mm，高43 mm。在保持吊舱转换时飞机飞行姿态稳定的情况下，最大程度地增加机翼翼展，使飞机发挥出更优的性能。 １．４ 驱动模块 倾转旋翼无人机在进行姿态转换时，对电机及控制发动机吊舱角度的舵机的响应速度有着很高的要求。通过测试，测得无刷电机Sunnysky X2814型的响应速度优于其他无刷电机，使用11.1 V-5 200 mAh-35C 的锂聚合物电池，并搭配13×8E 桨，单个电机的最大拉力可达1 700 g 左右，可在飞机垂直飞行时为其提供足够的推力。数字舵机在测试时响应速 二轴倾转旋翼无人机的设计及实现 洪智杰 钟小华 李广湖 谢江涛 彭振根（广东白云学院，广东 广州 510450） 摘 要：该文结合多旋翼无人机和固定翼无人机的优点设计了二轴倾转旋翼无人机，这是一款摒弃传统设计观念的新型无人机。采用碳纤维复合材料以及巴尔沙木材，在最大程度减重的同时又保证了机体的强度。通过机载STM32处理器引导输出不同宽度的PWM 波脉控制舵机带动发动机吊舱实现倾转。在垂直飞行姿态下，其最大推重比可达2，在水平飞行姿态下，其续航时间为52 min。其凭借着大推重比和高续航时间，可在山区、灾区等复杂环境中进行勘察、巡航等作业。关键词：飞行器；倾转旋翼无人机；垂直起降中图分类号：V279 文献标志码：A 基金项目：大学生创新创业项目（201810822011）。