【持续更新中...】《多旋翼飞行器设计与控制》- 北航可靠飞行控制研究组 ---- 学习笔记

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学习内容出处

绪论

1.基本概念

常见飞行器分类

固定翼

1）固定翼
优点：续航时间最长、飞行效率最高、载荷最大
缺点：必须要助跑，降落的时候必须要滑行

直升机

2）直升机
优点：垂直起降
缺点：续航时间没有优势，机械结构复杂、维护成本高

多旋翼

3）多旋翼
优点：垂直起降、机械结构简单、易维护
缺点：载重和续航时间都更差

多旋翼一般受力特点：

1. 合成拉力垂直桨盘平面
2. 拉力、重力

四旋翼和六旋翼分类

四旋翼和六旋翼有何分别？
• 无本质区别，3个力矩+拉力
• 六旋翼控制分配更灵活

复合飞行器

这里，中间的共轴双桨转速动态较慢，提供主要升力，而外围
的四旋翼通过快速改变螺旋桨的速度改变升力，从而改变姿态。

无人驾驶飞机和航模

1）无人驾驶飞机（UnmannedAerial Vehicle）：简称“无人机
”，英文缩写为“UAV”，是利用无线电遥控设备和自备的程序控
制装置操纵的不载人飞机。微小型无人机英文“Drone”
（2）航模（Model Aircraft）：在国际航联制定的竞赛规则里明 确规定“航空模型是一种重于空气的，有尺寸限制的，带有或不
带有发动机的，可遥控的不能载人的航空器。”

	无人机	航模
操控方式	可自主驾驶	需遥控操纵
用途	军事用途/民用特种	接近于玩具
组成	复杂，需地面站	简单，无需地面站

• 半自主控制方式:多旋翼属于航模范畴
• 全自主控制方式:多旋翼属于无人机范畴

2.多旋翼操控和评价

悬停

当飞行器悬停时，
• 拉力抵消重力
• 四个螺旋桨拉力产生的滚转、俯仰力
矩为零
• 偏航力矩为零，四个螺旋桨反扭矩效
应均被抵消

• 1号螺旋桨的力和力矩作用到四旋翼中心的过程示意图

直升机如何抵消反扭矩？

多数直升机即单旋翼直升机都有一个小垂直尾桨来抵消反作用力矩，或者采用共轴双桨，上下两个螺旋桨转动方向相反，从而抵消之间的反扭矩的作用。

• 尾桨 - 共轴双桨
  

升降运动

同时同量地增加四个螺旋桨的转速，则螺旋桨产生的总拉力增大，力矩和依然为零。拉力大于重力时，四旋翼就会上升

前后运动

** 前后运动增加拉力**
可以看到，改变俯仰后，拉力的垂直分量会减小，将不再等于多
旋翼的重力，因此需要增加拉力

倾斜后拉力在重力方向的分量抵消不了重力，因此需要再提升拉力

偏航运动

偏航运动 就是遥控器左右飞，可以看到增加对称螺旋桨速度同时降低另外一个对螺旋桨的转速 ，对导致无人机往一个方向偏，因为无人机是对称相反方向飞行的，如果有无人机只有一个飞行方向，自然无人机往另一个角度偏了

多旋翼

多旋翼的能量转换效率最低，
对比其他无人机上 ，飞行时间和承载性没有优势
但对于用户体验，易用性 可靠性 维护性是最好的
说明多旋翼的无人机门槛够低

多旋翼

多旋翼的能量转换效率最低，
对比其他无人机上 ，飞行时间和承载性没有优势
但对于用户体验，易用性 可靠性 维护性是最好的
说明多旋翼的无人机门槛够低

3.多旋翼技术发展历史

4. 本门课程的安排

基本组成

1.总体组成

2.机架

3.动力系统

4.指挥控制系统

5.小结

机架设计

布局设计

结构设计

小结

动力系统建模和估算

1.总体描述

2.动力系统模型

3.性能计算和实验验证

4. 评估网站Flyval.com估计

5.本讲小结

坐标系和姿态表示

1. 坐标系

2.欧拉角

3.旋转矩阵

4.四元数

5 小结

动态模型和参数测量

1.多旋翼控制模型

2.多旋翼气体阻力模型

3. 多旋翼模型参数测量

4.本章小结

传感器标定和测量模型

1. 三轴加速度计

2. 三轴陀螺仪

3. 三轴磁力计

4.超声波测距仪

5.气压计

6.二维激光测距雷达

7.全球定位系统（GPS）

8.摄像头

小结

可观性和卡尔曼滤波器

1. 可观性

2. 卡尔曼滤波

3.多速率采样卡尔曼滤波

4.扩展卡尔曼滤波

小结

状态估计

1.状态估计

2. 位置估计

3. 速度估计

4. 障碍估计

5. 小结

稳定性和可控性

1. 稳定性定义

2. 稳定性判据

3. 可控性的基本概念

4. 多旋翼飞行器的可控性

5. 小结

底层飞行控制

1.多旋翼底层飞行控制框架和模型化简

2.位置控制

3.姿态控制

4.控制分配

5.电机控制

基于半自主驾驶仪的位置控制

1.问题描述

2.系统辨识

3.位置控制器设计

4.仿真研究

5.小结

任务决策

1.全自主控制

2.半自助控制

3. 小结

健康评估和失效保护

1. 决策层的目的和意义

2. 安全问题

3. 健康评估

4. 失效保护

5. 安全决策实现

6. 本讲小结

展望

1.新技术展望

2.需求和技术创新反向

3.风向分析

4.机遇和挑战