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气动干扰下的Hex-Rotor无人飞行器控制器及其飞行实验

更新时间：2019-12-25 17:48:38 大小：4M 上传用户：xiaohei1810 查看TA发布的资源 标签：无人飞行器 下载积分：1分评价赚积分（如何评价?）打赏收藏评论(0) 举报

资料介绍

分析了气流扰动、翼间干扰等因素对飞行中的无人飞行器的控制精度和效果产生的影响,并给出了相应的解决方法.建立了Hex-Rotor飞行器的动力学模型,分析了升力因子不确定性导致飞行器控制效果下降的影响因素.设计了反演滑模控制器来控制飞行器的空间六自由度运动,同时考虑升力因子的不确定性采用超螺旋非线性观测器观测各个旋翼的升力因子来克服气动干扰的影响.通过原型机验证了提出的方法,结果显示:Hex-Rotor飞行器在气动干扰较大的外部环境中飞行时,水平位移跟踪误差不超过±4.5m,高度误差不超过士2.5m,姿态角度误差保持在±2°内,较大地增强了飞行器的抗扰能力.结果表明:采用本文的方法可以有效地估计各个旋翼的升力因子,从而提高Hex-Rotor飞行器的控制精度和效果.

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V01．23

No．4

第23卷第4期

光学精密工程

and Precision

Engineering

0ptics

2015年4月

Apr．2015

文章编号1004—924X(2015)04—1088—08

气动干扰下的Hex—Rotor无人飞行器

控制器及其飞行实验

赵常均1’2，白

越H，宫

勋1，彭

程3，徐东甫1’2，续志军1

(1．中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，吉林长春130033；

2．中国科学院大学，北京，100039；3．吉林大学通信工程学院，吉林长春130025)

摘要：分析了气流扰动、翼间干扰等因素对飞行中的无人飞行器的控制精度和效果产生的影响，并给出了相应的解决方

法。建立了Hex-Rotor飞行器的动力学模型，分析了升力因子不确定性导致飞行器控制效果下降的影响因素。设计了

反演滑模控制器来控制飞行器的空间六自由度运动，同时考虑升力因子的不确定性采用超螺旋非线性观测器观测各个

旋翼的升力因子来克服气动干扰的影响。通过原型机验证了提出的方法，结果显示：Hex-Rotor飞行器在气动干扰较大

的外部环境中飞行时，水平位移跟踪误差不超过± 4．5 rfl，高度误差不超过± 2．5 ITI，姿态角度误差保持在± 2。内，较大地

增强了飞行器的抗扰能力。结果表明：采用本文的方法可以有效地估计各个旋翼的升力因子，从而提高Hex-Rotor飞行

器的控制精度和效果。

关键词：无人飞行器；升力因子；气动干扰；反演滑模控制器；超螺旋非线性观测器；

中图分类号：V279：V249．1

文献标识码：A

doi：10．3788／OPE．20152304．1088

and its

Hex-Rotor unmann aerial vehicle controller

under

disturbance

flight experiment

aerodynamic

ZHAO

unl

unl”，BAI Yue卜，GONG Xunl，PENG

Chang—j

Chen93，XU Dong—ful”，XU Zhi—j

Institute

Mechanics and

(1．Changchun

of Optics，Fine

Physics，

130033，China；

^ChineseAcademy ofSciences，Changchun

2．University of ^ChineseAcademy of Sciences，Beijing

Telecommunication

100039，China；

3．School

130025，China)

Engineering，Jilin University，Changchun

*Co

r7rPs户。卵di以g author，E-mail：．ac．cn

downside effects of airflow disturbance and rotor interference

Abstract：The

on the control

accuracy

and the method to solve the

problems

and control effect of

mentioned above was

unmanned aerial vehicle were

analyzed

model for the Hex-Rotor aircraft was

the

established，and

given．A dynamic

reasons that control

of aircraft was declined

the fluctuation of lift factors were

analyzed．An

quality

to control the 6-DOF channels，meanwhile

space

inversion

nonlinear

mode controller was

observer was

sliding

designed

based

proposed

the nondetermination of 1ift factors to estimate

supercoiled

收稿日期：2014—03—20；修订日期：2014—05—07．

基金项目：国家自然科学基金资助项目(No．11372309，No．61304017)；中科院知识创新工程方向性项目(No．YYYJ一

1112)

万方数据

第4期

赵常均，等：气动干扰下的Hex-Rotor无人飞行器控制器及其飞行实验

the lift factor of

the

rotor and tO overcome the

dist

was taken tO

errors are

urbance．A

every

pneumatic

prototype

results indicate that the horizontal

tracking

method．The

verify

proposed

experiment

with

inflow

1arge

limited

4-4．5

the altitude error of± 2．5 mand attitude errors of--4-2。in

the control

environment．The method

estimates the lift factor of

rotor and

every improves

effectively

and effect of the

precision

Hex-Rotor aircraft．

aerial

mode

words：unmanned

Key

vehicle；lift factor；aerodynamic disturbance；inversion sliding

nonlinear observer

controller；supercoiled

旋翼的升力因子产生波动，引入了一种超螺旋观

测器算法，实时对各旋翼的升力系数进行估计以

提高控制的精确性，同时采用反演滑模控制器来

控制飞行器的空间6自由度运动。最后通过原型

机进行了验证，获得了较高的控制品质。

引

言

微小型多旋翼无人飞行器具有体积小、重量

轻、结构简单以及操控简单、机动灵活等优点，在

军事与民事领域获得了广泛的应用，得到了越来

越多科研人员的重视[1卫]。其中，四旋翼无人机

作为多旋翼飞行器的典型代表，近年来的研究取

得了大量的成果。Zhang[31等设计了四旋翼飞行

器的滑模反馈控制器，克服了未知扰动对飞行器

稳定运行的影响；Zuo[43等针对飞行器的欠驱动

特性，引入了一种基于反步法的双环嵌套式控制

结构；Zairi和Hazry[5]设计了基于神经网络的模

型参考自适应控制算法。

Hex-Rotor飞行器的动力学分析

2．1 Hex-Rotor飞行器的动力学建模

Hex-Rotor飞行器结构如图1所示：6组旋

翼驱动单元均匀安装在飞行器连杆末端；其中旋

翼l、3、5顺时针旋转，旋翼2、4、6逆时针旋转；旋

翼转轴与机体平面成)，(0<y<90。)角。依靠这

种新颖飞行器结构，Hex—Rotor飞行器通过控制

各个旋翼的转速，可以实现空间6自由度全解耦

控制。

作者课题组对四旋翼飞行器进行了较为深

入的研究，Chen等[61将SOIT—II型模糊神经网

络引入飞行器的控制系统中，提高了飞行器的环

境适应能力；Gong等[7]将自抗扰技术引入四旋翼

飞行器的控制中，实现了飞行器各个控制通道的

解耦，同时提高了系统的抗干扰能力；Peng[8]在

其基础上引入了PSO算法，对控制器参数进行调

整，获得了更高的控制品质。通过研究发现，四旋

翼飞行器在本质上属于一种欠驱动、强耦合的非

线性系统，即使通过控制系统的调节也无法真正

提高其飞行机动能力。针对这一问题，本课题

组凹1创新性地提出一种全新结构的Hex-Rotor

无人飞行器，通过独特的旋翼配置方式，保证了飞

行器具有6自由度独立控制的能力。本文在前期

研究基础上，重点针对气流扰动、翼间干扰等因素

对Hex-Rotor飞行器的6自由度控制带来的负

面影响(降低了控制精度和效果)进行研究。考虑

到在实际飞行中，气流扰动、翼间干扰等因素会对

飞行器的旋翼驱动特性产生影响，特别是会使得

图1 Hex-Rotor飞行器的结构不意图

Scheme

of Hex-Rotor aircraft

diagram

Fig．1

首先定义旋翼在机体坐标系上的位置向量

D， R3，其中i一1，2，，6代表旋翼编号。由飞

行器的结构可以得到：

031f，D：一Eo一1 o]7l

D。一[4-2／2—1／2

1／2

o]71

D3一[—拈／Z--1／2 011z，D4一[一捂／z

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