毕业论文(设计) 开题报告
题 目 基于现代控制理论的四旋翼无人机姿态控制
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指导教师
二Ｏ一一 年 三 月 二十七 日
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1．本课题的目的及研究意义 四旋翼作为一种具有结构特殊的旋转翼无人飞行器。与固定翼无人机相比，它具有体积小，垂直起降，具有很强的机动性，负载能力强，能快速、灵活地在各个方向进行机动，结构简单，易于控制，且能执行各种特殊、危险任务等特点。因此在军用和民用领域具有广泛的应用前景,如低空侦察、灾害现场监视与救援等。 多旋翼无人机飞行原理上比较简单，但涉及到的科技领域比较广，从机体的优化设计、传感器的算法、软件及控制系统的设计都需要高科技的支持。虽然国内的一些研究机构已经在进行多旋翼飞行器的研究，但大多数还是停留在理论探讨与模拟的阶段，缺乏多旋翼机硬件与控制上自己的核心技术与经验，无法得到满意的飞行性能，在国内至今尚未有高性能的多旋翼无人机研制成功的报道。现在国内一些对该类无人机有需求的机构都是花高价从国外购买，每架成本在20万到40万人民币之间。本课题针对四旋翼无人机进行研究，它的研究将有利于打破多旋翼无人机技术欧美日垄断的局面，推动中国多旋翼无人机的研究发展，为无人机在气象、防灾、环境保护、侦查追踪等民用警用领域实现产业化作出贡献。廉价高性能的无人机的研究将会带来巨大的经济效益，同时可以推动关联科研项目的发展，为我国的科研事业做出巨大贡献。 四旋翼无人机的飞行控制技术是无人机研究的重点之一。它使用直接力矩, 实现六自由度(位置与姿态)控制，具有多变量、非线性、强耦合和干扰敏感的特性。此外, 由于飞行过程中,微型飞行器同时受到多种物理效应的作用,还很容易受到气流等外部环境的干扰,模型准确性和传感器精度也将对控制器性能产生影响，这些都使得飞行控制系统的设计变得非常困难。而作为微型飞行平台自主导航的基础—姿态稳定控制(内回路控制) ,其控制结果对微型飞行平台飞行特性的影响至关重要，因此姿态控制是整个飞行控制的关键。微小型四旋翼飞行器的姿态与位置存在直接耦合关系(俯仰和横滚直接引起机体向前后左右移动) ,如果能精确控制飞行器姿态,则采用一般控制律就足以实现其位置与速度控制。因此,研制既能精确控制制飞行器姿态,又具控有较强抗干扰和环境自适应能力的姿态控制器是微小型四旋翼飞行器飞行控制系统研究的当务之急。
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2．本课题的国内外的研究现状 早在上个世纪中叶，多旋翼飞行器就已经受到了海外一些研究机构的瞩目。多旋翼飞行器虽然机械构造与飞行原理都很简单，但对传感器类与控制理论上的要求非常高，所以一直到本世纪初期，MEMS传感器技术及嵌入式控制系统科技的高速发展使得多旋翼无人机的研究终于得到了突破。特别是欧美的一些先进国家，在小型，超小型无人机研究领域中，多旋翼无人机已逐步取代直升机式无人机，成为旋翼无人机研究的主流。 欧美据有代表性的科研团队有美国的MIT，德国的Ascending Technology，法国的Heudiasyc，美国的Pennsylvania等[1][2][3]。作为产品来开发的主要有MicroDrones[4],DraganFly[5],MikroKopter[6]等企业。这些团队与企业早在本世纪初期就已经着手于多旋翼无人机的研究开发，分别在06，07年前后研发出各自的新型机体，并在市场上开始了贩卖。其中Microdrones的产品性能最为稳定，价格也最为昂贵，最低档的产品也要在40万人民币左右。缺点是因为采用的是低转速的电机，抗风能力弱，载重能力较差，只能搭载200g以下的数码相机，很难搭载其他的传感器来执行任务。DraganFly虽然是最早推出产品的公司，但他们的产品在机动性与抗风性上始终没能让客户感到满意。MikroKopter公司走的是DIY路线，供应散件让用户自己组装，同时在网上公布一部分电路图与程序源代码。虽然在驱动与控制上都存在着许多缺陷，但因为成本低，受到了广大爱好者的青睐。中国国内流传的4浆飞行器基本上都是MikroKopter的复制品。 海外的科研团队除了在飞行控制上持续着深入的探讨之外，近期已把大部分的精力投入到智能飞行上[7][8]。目标是实现无人机的室内室外自由飞行，以便执行一些比较复杂的例如解救人质的任务。近两年，多旋翼无人机的研发步伐日益加快，德国与美国的局都已将配备多旋翼机列入日程。日本也计划在明年将开发的6浆飞行器产业化，用于喷洒农药。 中国国内对多旋翼无人机的开发起步较晚，至今仍然远落后于欧美与日本。代表性的机构有南航[9][10][11]、北航[12][13]、国防科技大学[14]、中南大学[15]、吉林大 学[16]等[17]。大多数的无人机科研机构至今仍然停留在理论探讨及模拟上。南航、北
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航等少数科研机构虽制作出了样机，但因缺乏多旋翼机控制上的核心技术与经验，无法得到满意的飞行性能，至今尚未有性能稳定的多旋翼无人机研制成功的报道。因德国的MikroKopter公司在网上公开了源程序代码，一些民间企业就模仿MikroKopter制作了产品在网上贩卖，但因没有自己的技术支持，虽售价远低于欧美的同类产品，但性能低劣，无任何实用价值。随着科技的发展，无人机的应用领域已逐渐从军用过渡到民用，警用。低造价，高飞行性能的多旋翼无人机无疑会对这个过渡起到一个极大的推动作用。无论在气象勘测，灾情调查，环境保护等民用领域，还是针对追捕逃犯，瓦解恐怖活动等的警用领域，都有着很大的需求空间。各界人士已经提出了对多旋翼无人机的期待[18]，希望未来的几年，国内对多旋翼无人机的研发能够取得突破，研发出中国自己的高性能无人机。 3．本课题的研究内容 本课题主要研究一种基于现代控制理论的四旋翼无人机姿态控制。姿态控制是无人机飞行控制的基础与关键，考虑到飞机飞行过程中会受到各种干扰和传感器的漂移，因此设计的控制器需重点考虑其在抗干扰和鲁棒性。其研究内容如下： 1、四旋翼无人机的整体构成及其飞行原理； 2、对姿态角的建模，并通过收集实验数据拟合模型中的未知参数； 3、根据建立的姿态角数学模型设计LQG控制器，并采用LTR技术与仿真实验确定控制器中的加权常矩阵； 4、在MATLAB中进行仿真实验，研究控制器在跟踪、鲁棒性及抗干扰方面性能；
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4．本课题的实行方案、进度及预期效果 实行方案： 本课题所设计的控制器主要实现四旋翼无人机的姿态控制。在建立数学模型的基础上，设计LQG/LTR控制器，以获得良好的跟踪性能以及抗噪性、鲁棒性。 具体实行方案如下：首先根据控制系统跟踪性能的设计要求，引入误差的积分作为新增的状态变量设计LQI控制器。其状态反馈中的状态量（角度、角速度、角加速度）有些不易测得，因此引入卡尔曼滤波实现对中间状态量的估计，并构成LQG控制器。LQG控制器中的加权常矩阵的确定则采用LTR技术实现 毕业论文提纲： 本课题研究的主要内容是四旋翼无人机飞行姿态控制系统的研究，主要包括对控制器的设计和算法的研究。具体研究内容如下: 第一章 绪论，简要介绍了选题背景及意义，并对四旋翼无人机的国内外发展现状和主要的控制技术作了简要介绍。 第二章 控制对象分析。针对四旋翼无人机，详细介绍了其整体构成与硬件结构，和内部各模块的联系，此外还对其飞行原理作了介绍，为飞行控制研究打下基础。 第三章 数学理论基础。对本文所运用的基本数学原理进行阐述与推导。包括线性二次最优控制，卡尔曼滤波及传输回路恢复技术。 第四章 控制器设计。本章统详尽地介绍了LQG/LTR控制器的设计方法。在建立数学模型的基础上设计姿态控制控制器。为实现目标跟踪，设计了以线性二次最优控制为基础的LQI控制器；但考虑到系统的部分状态量不易使用传感器测得，引入了卡尔曼滤波技术；根据分离原理，将LQI控制器和卡尔曼滤波结合，构成LQG控制器，LQG中的未知加权矩阵则可通过LTR技术估计。 第五章 实验与仿真。针对本文所设计的LQG控制器，在MATLAB上进行了Simulink仿真，检验其鲁棒性以及在跟踪、抗噪方面的性能。 第六章 总结与展望。最后对本次论文总结回顾并提出了所存在的一些问题。
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进度： 2011.2-2011.3 查阅相关文献了解四旋翼无人机的结构及工作原理 2011.3-2011.4 完成对姿态角的数学建模 2011.4-2011.5 控制器设计及仿真实验 2011.5-2011.6 完成毕业论文的撰写提交论文，准备答辩 预期效果： 基于现代控制理论的LQG控制器能够实现本系统设计所希望达到的效果，因LQI控制以及卡尔曼滤波的存在，其输出可以很好地跟踪参考输入，并具有很好的跟踪和抗噪性能和一定的鲁棒性。具有一定的实际应用价值。 5.已查阅参考文献： 1. Hoffmann GM, Waslander SL, Tomlin CJ, Quadrotor helicopter trajectory tracking control. In: Proceedings of AIAA guidance, navigation, and control conference, Honolulu, HI, August 2008. 2. Ascending Technologies GmbH, http://www.asctec.de 3. Kendoul F, Fantoni I, Lozano R, Asymptotic stability of hierarchical inner-outer loop-based flight controllers. In: Proceedings of the 17th IFAC World Congress, Seoul, Korea, pp.1741–1746, 6–11 July 2008. 4. microdrones GmbH, http://www.microdrones.com 5. http://www.mikrokopter.de 6. http://www.draganfly.com/ 7. Markus Achtelik, Abraham Bachrach, Ruijie He, Samuel Prentice, and Nicholas Roy. Stereo vision and laser odometry for autonomous helicopters in gps-denied indoor environments. In Proceedings of the SPIE Conference on Unmanned Systems Technology XI, Orlando, FL, 2009. 8. A. Bachrach, R. He, and N. Roy. Autonomous flight in unstructed and unknown indoor environments. In Proceedings of EMAV, 2009.
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9. Ashfaq Ahmad MIAN, Dao-bo WANG, Dynamic modeling and nonlinear control strategy for an underactuated quad rotor rotorcraft, Journal of Zhejiang University SCIENCE A, pp.539-545, Vol.9, No.4, 2008. 10. Ashfaq Ahmad Mian，Wang Daobo, Modeling and Backstepping-based Nonlinear Control Strategy for a 6 DOF Quadrotor Helicopter, Chinese Journal of Aeronautics, pp.261-268, Vol.21, 2008. 11. ZHOU Quan, HUANG Xianghua, ZHU Lihua, Experiment study on attitude stabilization control of quadrotor micro-aircraft, Transducer and Micro system Technologies, Vol.28, No.5, 2009. 12. SU Jingya, ZHANG Ruifeng, WANG Xinhua, CAI Kaiyuan, Controlling a four-rotor aircraft based on noise-attenuation differentiator, Control Theory & Applications, Vol. 26, No. 8, 2009. 13. ZHANG Yangsheng ,LIU Rong, Design of a New Style Six Rotor-wings Aircraft, 机械与电子, Vol.5, 2010. 14. NIE Bowen, MA Hongxu, WANG Jian, WANG Jianwen, Study on actualities and critical technologies of microPmini quadrotor, ELECTRONICS OPTICS &CONTROL, Vol.14, No.6, 2007. 15. LIU Lili, PENG Hui, LIU Minan, Modeling Research For four-rotor flight simulator system, 微计算机信息(测控自动化), Vol.25, No.2-1, 2009. 16. LIU Xiaojie， ZHAO Xiaohui，GU Haijun， Sanchez Anand， Lozang Rogelio, 微小型四旋翼无人机实时嵌入式控制系统设计与实现, 电子技术应用, Vol.5, 2009. 17. YANG Qing-hua，SONG Zhao-qing，SHI Lei, Modeling, Control and Simulation of a Quadrotor Aircraft, Journal of Naval Aeronautical and Astronautical University, Vol. 24, No.5, 2009. 18. 魏 鹏，四旋翼无人机，军警世界，2009-11.
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指导教师意见 指导教师： 年 月 日 院（系）审查意见 学院领导（公章）： 年 月 日
