多旋翼飞行系统的飞行控制与硬件设计(附件)【字数：6802】
摘 要本文研究了实现四轴无人机飞行的关键技术，包括方向预测和控制系统的实现。该系统的主要内容是关于先进控制技术的实施和数据采集的研究。该系统的关键结构包括飞行控制器的硬件和软件设计、无线电系统和无传感器无刷电机控制器。首先，论文创建了四旋翼无人机系统的参考坐标系和数学模型。然后，通过各种MEMS传感器（如加速度计、陀螺仪和磁力计）来判断飞行方向。最后，使用真实的激光雷达数据，并采用计算几何算法ICL将点云数据转换为相关控制参数，将激光雷达数据直接集成到四轴无人机控制系统。该设计为研究人员提供了一个全面的四轴无人机系统的硬件和软件设计参考。
目 录
摘 要 I
第1章 绪论 1
1.1 研究背景 1
1.2 无人机研究现状 1
1.3 主要研究内容 2
第2章 四轴无人机技术基础 3
2.1 基本结构设计 3
2.2 数学模型 5
2.3 飞行控制 8
2.4 本章小结 8
第3章 硬件系统设计 9
3.1 飞行控制器 9
3.2 远程控制器 10
3.3 电子调速控制器 12
3.4 无刷电机 13
3.5 本章小结 14
总结 15
参考文献 16
致 谢 17
第1章 绪论
1.1 研究背景
在过去的十年里，多轴无人机已经成为研究机构和消费者的宠儿。无人机可以提供很多特殊的效用，被广泛应用于搜索救援、灾区援助、环境保护和监测等领域。在这些领域中，无人机通过人工或者自动的形式获取航拍图像。
但是，当设计者从零开始建立自己的无人机时，设计者面临着为定制设计的无人机付费，或牺牲可控性选择廉价的现成系统等问题。虽然市面上已有较多比较经济的多旋翼飞行器可供选择，但它们通常都包含专有模块，甚至很多宣传为开源的系统时也是如此。常见均为黑匣子模块，其中无传感器无刷电机控制器，飞行控制器和无线电，这些模块通常是专有的，并且有着有限的硬件规格。因此，对于一个研究人员来说，这些模块的可编辑性受到很大限制。
因此，本文 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: #351916072#
从实际自主设计需求出发，介绍了四轴无人机的控制理论、惯性测量单元 (IMU)定位融合，提供全面的软硬件平台。本文指定了一个数学坐标系统以创建参考系，然后利用这个系统来确定控制目标。论文的其余部分集中在如何操作达到控制目标。阐明了现有的IMU传感器以及它们在四轴无人机飞行方面的权衡。在此基础上，提出了一种整合IMU数据获取定位的算法，克服了现有传感器的局限性。一旦确定了目标方位，着重于详细说明飞行控制中涉及的多旋翼运动学、软件和硬件。最后，本文探讨了利用激光雷达传感器进行自主控制的方法。
1.2 无人机研究现状
为了军事需要，无人机上世纪初被发明[1]。随着各种科学技术的进步，各类小型精密的传感器被发明，飞行器性能也飞速的进步。更小，更轻，更精密的多功能无人机越来越多。更具研究报告，全球无人机市值将在2024年达到进700亿美元，其中40%左右将用于研发和设计，一半以上费用用于生产制造[23]。
在多轴系统的先进控制领域已经做了很多工作，不一一列出。Robert Mahony提出了一种基于状态空间方法的四轴飞行器建模、定向和控制的综合方法。另一个先进控制的例子是，苏黎世大学的研究人员发现了一个具有模型预测控制的四轴飞行器，能够执行极端的杂技动作。许多其他控制技术已被应用于四轴飞行器，如PID, LQR和LQRPID等。
至于开源的多旋翼系统，open Pilot和Clean Flight是两个最受欢迎的开放软件飞行控制系统。这些框架支持从三旋翼飞行器到八旋翼飞行器的广泛使用。至于开源软件和硬件系统，Pixhawk和Sparky系统具有开源飞行控制器。虽然这些系统具有一些开放的硬件和软件，但它们有专有的系统集成方式[45]。
关于自动控制系统，是所有类型远程飞行器的一个活跃研究领域。利用激光雷达和迭代最近点(ICP)算法，利用多旋翼飞行器对未知环境进行了映射。然而，这些情况下的多旋翼飞行器是由人操作。麻省理工学院的一个团队将激光雷达数据和IMU数据与扩展卡尔曼滤波和高斯粒子滤波相结合，实现了飞行器在室内的自主控制。然而，在这种情况下，预先绘制环境，使用预先确定的轨迹。全面同时测图和控制仍然是一个正在进行的研究领域[69]。
最近几年，我国无人机也得到了了飞速发展，除了专门研发军用无人机的大企业之外，民用无人机也得到了长足发展，而且大疆无人机已走进世界前列。市面上消费级无人机主要有多旋翼和固定翼两种。通常衡量无人机的性能主要从稳定性和续航能力两项指标入手[10]。
1.3 主要研究内容
第二章介绍基本的背景信息、术语及多旋翼系统，概述了多旋翼系统的数学参考系，并明确了控制目标。第三章描述了四轴飞行器的其他硬件部件，如飞行控制器和电子速度控制器。同时本章还指定了一个在有效处理和内存约束下的激光雷达数据解析算法。
第2章 四轴无人机技术基础
2.1 基本结构设计
为了给后续章节提供背景知识，本章介绍了四轴飞行器系统的基本输入和输出。除了四个螺旋桨的相似之处外，设计也有显著的多样性。这种设计多样性包括但不限于电机类型和框架设计。
///
图2.1 四旋翼飞行器
低成本的商用四轴飞行器一般使用直流电机，如有刷电机和无刷永磁电机。与燃气发动机相比，这种电机有着重量轻、成本低、结构简单等优点。这些特点使小型电动机成为低成本商用四轴飞行器的理想选择。在这些电机中，有两种常见的直流电机，即有刷电机和无刷电机。有刷直流电机通过电刷装置的将电能转换成机械能，直流供电[11]。有刷直流电机的启动快、制动及时、可在大范围内平滑地调速、控制电路相对简单及成本低，这些特点使其成为微型四轴飞行器的热门选择。然而，用机械方式对电机进行换向的电刷会导致摩擦损失以及限制电机寿命。因此，较大的四轴飞行器经常使用电子换向的无刷永磁直流电机。无刷电机也分为两种常见类型，有传感器和无传感器电机，如图2.2所示。
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(a) 有传感器 (b) 无传感器
图2.2 无刷永磁电机
由于无传感器电机减轻了重量、成本和复杂性，因此，无传感器无刷电机在四轴飞行器中很常见。然而，为了驱动这些电机，需要一个用到从直流到交流的三相无传感器电机驱动器，即电子速度控制器(ESC)。
目 录
摘 要 I
第1章 绪论 1
1.1 研究背景 1
1.2 无人机研究现状 1
1.3 主要研究内容 2
第2章 四轴无人机技术基础 3
2.1 基本结构设计 3
2.2 数学模型 5
2.3 飞行控制 8
2.4 本章小结 8
第3章 硬件系统设计 9
3.1 飞行控制器 9
3.2 远程控制器 10
3.3 电子调速控制器 12
3.4 无刷电机 13
3.5 本章小结 14
总结 15
参考文献 16
致 谢 17
第1章 绪论
1.1 研究背景
在过去的十年里，多轴无人机已经成为研究机构和消费者的宠儿。无人机可以提供很多特殊的效用，被广泛应用于搜索救援、灾区援助、环境保护和监测等领域。在这些领域中，无人机通过人工或者自动的形式获取航拍图像。
但是，当设计者从零开始建立自己的无人机时，设计者面临着为定制设计的无人机付费，或牺牲可控性选择廉价的现成系统等问题。虽然市面上已有较多比较经济的多旋翼飞行器可供选择，但它们通常都包含专有模块，甚至很多宣传为开源的系统时也是如此。常见均为黑匣子模块，其中无传感器无刷电机控制器，飞行控制器和无线电，这些模块通常是专有的，并且有着有限的硬件规格。因此，对于一个研究人员来说，这些模块的可编辑性受到很大限制。
因此，本文 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: #351916072#
从实际自主设计需求出发，介绍了四轴无人机的控制理论、惯性测量单元 (IMU)定位融合，提供全面的软硬件平台。本文指定了一个数学坐标系统以创建参考系，然后利用这个系统来确定控制目标。论文的其余部分集中在如何操作达到控制目标。阐明了现有的IMU传感器以及它们在四轴无人机飞行方面的权衡。在此基础上，提出了一种整合IMU数据获取定位的算法，克服了现有传感器的局限性。一旦确定了目标方位，着重于详细说明飞行控制中涉及的多旋翼运动学、软件和硬件。最后，本文探讨了利用激光雷达传感器进行自主控制的方法。
1.2 无人机研究现状
为了军事需要，无人机上世纪初被发明[1]。随着各种科学技术的进步，各类小型精密的传感器被发明，飞行器性能也飞速的进步。更小，更轻，更精密的多功能无人机越来越多。更具研究报告，全球无人机市值将在2024年达到进700亿美元，其中40%左右将用于研发和设计，一半以上费用用于生产制造[23]。
在多轴系统的先进控制领域已经做了很多工作，不一一列出。Robert Mahony提出了一种基于状态空间方法的四轴飞行器建模、定向和控制的综合方法。另一个先进控制的例子是，苏黎世大学的研究人员发现了一个具有模型预测控制的四轴飞行器，能够执行极端的杂技动作。许多其他控制技术已被应用于四轴飞行器，如PID, LQR和LQRPID等。
至于开源的多旋翼系统，open Pilot和Clean Flight是两个最受欢迎的开放软件飞行控制系统。这些框架支持从三旋翼飞行器到八旋翼飞行器的广泛使用。至于开源软件和硬件系统，Pixhawk和Sparky系统具有开源飞行控制器。虽然这些系统具有一些开放的硬件和软件，但它们有专有的系统集成方式[45]。
关于自动控制系统，是所有类型远程飞行器的一个活跃研究领域。利用激光雷达和迭代最近点(ICP)算法，利用多旋翼飞行器对未知环境进行了映射。然而，这些情况下的多旋翼飞行器是由人操作。麻省理工学院的一个团队将激光雷达数据和IMU数据与扩展卡尔曼滤波和高斯粒子滤波相结合，实现了飞行器在室内的自主控制。然而，在这种情况下，预先绘制环境，使用预先确定的轨迹。全面同时测图和控制仍然是一个正在进行的研究领域[69]。
最近几年，我国无人机也得到了了飞速发展，除了专门研发军用无人机的大企业之外，民用无人机也得到了长足发展，而且大疆无人机已走进世界前列。市面上消费级无人机主要有多旋翼和固定翼两种。通常衡量无人机的性能主要从稳定性和续航能力两项指标入手[10]。
1.3 主要研究内容
第二章介绍基本的背景信息、术语及多旋翼系统，概述了多旋翼系统的数学参考系，并明确了控制目标。第三章描述了四轴飞行器的其他硬件部件，如飞行控制器和电子速度控制器。同时本章还指定了一个在有效处理和内存约束下的激光雷达数据解析算法。
第2章 四轴无人机技术基础
2.1 基本结构设计
为了给后续章节提供背景知识，本章介绍了四轴飞行器系统的基本输入和输出。除了四个螺旋桨的相似之处外，设计也有显著的多样性。这种设计多样性包括但不限于电机类型和框架设计。
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图2.1 四旋翼飞行器
低成本的商用四轴飞行器一般使用直流电机，如有刷电机和无刷永磁电机。与燃气发动机相比，这种电机有着重量轻、成本低、结构简单等优点。这些特点使小型电动机成为低成本商用四轴飞行器的理想选择。在这些电机中，有两种常见的直流电机，即有刷电机和无刷电机。有刷直流电机通过电刷装置的将电能转换成机械能，直流供电[11]。有刷直流电机的启动快、制动及时、可在大范围内平滑地调速、控制电路相对简单及成本低，这些特点使其成为微型四轴飞行器的热门选择。然而，用机械方式对电机进行换向的电刷会导致摩擦损失以及限制电机寿命。因此，较大的四轴飞行器经常使用电子换向的无刷永磁直流电机。无刷电机也分为两种常见类型，有传感器和无传感器电机，如图2.2所示。
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(a) 有传感器 (b) 无传感器
图2.2 无刷永磁电机
由于无传感器电机减轻了重量、成本和复杂性，因此，无传感器无刷电机在四轴飞行器中很常见。然而，为了驱动这些电机，需要一个用到从直流到交流的三相无传感器电机驱动器，即电子速度控制器(ESC)。
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