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1、译文 四旋翼飞行器的建模与控制摘要迄今为止，大多数四旋翼空中机器人有是基于飞行玩具。虽然这样的系统可以作为原型，它们是不够健全，作为实验机器人平台。我们已经开发出了X-4传单，采用四旋翼机器人定制底盘和航空电子设备与现成的，现成的电机和电池，是一个高度可靠的实验平台。车用调谐厂带有板载嵌入式姿态动力学控制器以稳定飞行。线性单输入单输出系统控制器旨在规范传单态度。1介绍直升机的主要限制是需要广泛的，和昂贵，维护可靠的飞行。无人驾驶航空飞行器（无人机）和微型飞行器（MAV）旋翼机也不例外。简化了机械飞行机的结构产生明显的福利操作这些设备的物流。四转子是强大和简单的直升机，因为他们没有复杂的旋转倾转
2、盘和联系在传统的旋翼机发现。多数四转子的飞行器从遥控玩具构建组件。其结果是，缺少必要的这些工艺可靠性和性能是切实可行的实验平台。几个四转子工艺最近已开发用作玩具或进行研究。许多研究旋翼飞行器开始了生活作为市售的玩具，如作为HMX -4和Rctoys的 Draganflyer 。未经修改的，这些工艺通常由光机身塑料转子。它们是由镍镉电池或锂聚合物电池供电，使用速度反馈的微机电系统陀螺仪。这些四转子一般没有稳定的稳态。研究四旋翼添加自动稳定及使用各种硬件和控制方案。 澳大利亚联邦科学与工业研究组织的如图1 ： X-4传单型号2的。四旋翼飞行器，例如，是一个Draganflyer衍生使用视觉伺服和惯
3、性测量单元（IMU ） ，以稳定的工艺在一个被做成动画的目标。其他四转子包括Eidgenossische TECHNISCHE Hochschule的苏黎世 OS4 Bouabdallah等，2004 ，皮带驱动飞与低纵横比的叶片; CEA的“ X4- flyer1 ，小四转子电机每四个刀片 Guenard等，2005 。和康奈尔大学的自治飞行器，采用的爱好飞机螺旋桨的大型工艺。图1 ： X-4传单型号2的。澳大利亚国立大学（ ANU）的X-4传单四旋翼微型飞行器（参照图1 ）的目的，以解决面对小规模的无人机的问题。在X -4是多比同类机器人重：它重4 kg总，是设计携带1千克的载荷。它有很强
4、的碳纤维和铝底盘和高推力与重量比。所使用的电机和电池是现成的，现成的组件。马达直接驱动转子，消除需要一个变速箱 - 机器人仅具有8 movingparts 。因此，传单是坚固，可靠，小范围的在飞行中发生灾难性故障。它承诺一个实用有效载荷能力与大量的飞行时间。高性能的转子和转速控制器已用于X -4传单开发的。这些都充分解决推力的产生和动态的问题电机的调速性能磅等，2005 ， 磅等人， 2007 。此外，飞行动力学模型，包括旋翼拍打影响，推导出。一个3D模拟器机器人的生成工艺状态的轨迹用于多种配置，受到干扰。传单上当前工作旨在稳定飞机在滚动，俯仰和偏航。连续飞行要求俯仰和横滚角保持在零附近，除了
5、当积极转换。飞行系统的自然不稳定需要积极的补偿。特殊的设计机箱结果在纯粹的发散不稳定俯仰和横滚，一个控制器可以很容易地正确。在本文中，我们提出了X-4传单作为全功能的空中机器人。四旋翼动力学直升机叶片扑了研究。我们估计从数据的系统参数，以产生一个数字工厂模式。根据六自由度气动模型我们推导动力学解耦在纵向（俯仰/滚动）和方位模式。控制的方法是优化机械设计这些动态控制并实现线性单输入单输出系统控制的解耦动力学。我们描述了用于稳定器的工艺仿真，然后去证明的在系留辊和螺距补偿功能飞行。2 X-4硬件建设在X 4传单是从其他四旋翼车辆分开设置通过其较大的建设。它包括一个机箱，电机和动力电池，以及姿态控制
6、和通讯航空电子设备。每个子系统中所描述详细如下：在X-4与碳铝车架中心纤维泡沫夹心武器。规则排列的安装点允许COG可以很容易地转移。电机和电池都从中心轴线为尽可能地安装可能。手臂角度略有下降，以提供更多的武器的底部和扑之间的间隙转子的提示。转子坐骑摇摇欲坠枢纽，驱动轴和转子之间的自由摆动关节叶片，从铝加工。叶片是螺钉夹紧转子之间安装顶部和底部板。在X-4的转子设计解除一个额外的传单30的控制范围（大于超过520千克） 。叶片是三 - 层的碳纤维，其目的并制作的澳大利亚国立大学。的几何形状被设计成转子尖端弯曲到最佳工作角度在负载下。所使用的ANUX2翼型是一个自定义栏目对于转子的特产。转子由JE
7、TI相量30-3驱动三相无刷电机的无线电控制的飞机。他们提供高扭矩的性能，允许直接驱动转子，省去了齿轮。电机可以通过超过300瓦，额定可达35 A。 定制电机控制板整流电机。这些由澳大利亚联邦科学与工业研究组织的昆士兰州开发中心高级技术信息和通信技术小组。该板是根据各地的飞思卡尔HC12D60A微处理器和东芝TB9060无刷电机转速控制芯片。功率由24锂聚合物2000毫安提供H highdischarge细胞。每个单元有3.7伏的标称电压，范围从4.2 V完全充电，并下降到3 V在枯竭。每个单元可以提供高达20 A的电池被连接到6平行设置的电源总线四个单元串联的，也就是说， 14.8 V额定电
8、压和120每电机电流消耗。这给了一个传单预计为11分钟的飞行时间，悬停速度。2.3 控制该工艺是通过板载嵌入式HC12稳定控制器。该控制器由澳大利亚联邦科学与工业研究组织读取态度Eimu IMU提供的角速度和加速度测量和角度位置估计在50 Hz 。该控制器的输出转速参考电机控制卡通过CAN总线，同时在50 Hz 。 2.4 命令和遥测 人类的方向有关机器人和信息在X - 4的状态的传送是在一个长距离蓝牙连接到一台笔记本电脑基站串口模块运行Linux 。蓝牙单元具有射程可达到100m 。从传单遥测由记录基站和屏幕上的显示。用户可以发出使用键盘和一个通过笔记本电脑的命令JR- X3810无线 。无
9、线 也能触发安全开关杀在X -4独立，蓝牙通信信道，用一个板上的无线电接收器。在一个紧急切断开关可以立即停止转子通过禁用电机控制电路板，即使数据通信丢失。.3四转子动力学在英镑等人，2004 中描述的动态模型加入铰接式旋翼扑在基本的四旋体动力学模型。当前配置在X - 4传单并不纳入枢纽弹簧原本包含在模型中。作为结果，振荡方程可以大大简化：图2 ：扑四旋翼自由体图。 右手惯性系记为I = 前，安永， EZ ，其中x是的前面对齐工艺和z是在重力的方向上，和= （的x，y ，z）的是身体固定框A = EA的起源1 ，EA2 ，EA3。帧A是由旋转矩阵与我R：A ！一， V和 是线速度和角速度在A（参
10、见图2 ）的框架。该方程为：其中m和我是质量和转动惯量传单， g是重力加速度，是密度空气中，r是转子半径，A是转子盘的区域。在式（6） ， ！乘以其幅度以保存旋转的符号为反向旋转的转子。这里SK（ x）是斜对称矩阵，使得SK（一） B = A A-B为 3载体。在SX和CX符号分别代表罪恶x和COS按x。该rorotation矩阵R的构造与偏航俯仰辊， = （ ， ， ），欧拉角。转子由他们的索引相应的指南针方向：北，南，东和西（ NSEW ） ，其中N表示前面的转子。与此相对应，迪是转子位移从质量传单中心：其中d是传单的臂长，h为高度上述COG转子。向量Ti和齐是转子的推力和扭矩，和米是当下
11、因的推力矢量第i个转子 - 一个摇摇欲坠的转子，目前产由转子扑完全是由于推力矢量从周围车辆的中心位移作用重力。纵向的一次谐波和第i个转子的横向振荡角度由a1si记和b1si 。非幅员推力和扭矩系数， CT和CQ ，这里视为常数。第i个转子的速度由下式给出！我。该无量纲的推力系数和扑方程更详细的第3.1和3.2进行讨论。3.1 俯仰和横滚阻尼转子一个四转子必然有一个水平位移它的桅杆和COG之间。当工艺辊和球场，转子出现垂直速度，导致以流入角的变化。从的普鲁斯特的普鲁斯特，2002年，第101 ，CT可以进行相关的垂直速度，VC，通过：其中，a是极性电梯斜率， tatip是几何在转子的顶端刃角，
12、Vi是诱导通过转子速度，并且是坚固的圆盘叶片的表面面积的比例和转子盘区。极性电梯斜率本身是转子的函数攻击的叶片角度。这是一些高度非线性翼型件等的关系，可以更好地表示为变异围绕一个设定点， CT0 ：其中CT是诱导改变流入的变化条件。从公式12所示，该可写为：其中a0是在设定点的升降斜率。图3 ：刀片扑旋转角度。3.2 刀片扑当转子翻译水平是有区别的在进退之间的叶片升力叶片，这将导致转子尖端路径平面倾斜。该通过同时得到的转子平面的产生角求解常数和正弦分量的叶片离心空气动力学静电重力矩制度。拍打是很重要的，因为以前的模拟在X -4表明，倾斜转子可以引入显著稳定性的影响为车辆磅等，2004 。旋翼挥
13、舞动力学非常快，发生内转子利什曼， 2006的一转，相比于直升机的刚体动力学。因此，叶片振荡方程可写工艺平面速度的瞬时功能。四旋转子飞行不限于纵向运动 C当车辆随意移动，扑转子的运动不需要是与标称线前面的飞机。当工艺偏航线性在转子轮毂大约E3的速度被添加到运动车辆。第i个转子由于平面运动的拍打是通过计算转子的大小和方向发现翻译和定义的参考本地帧，毕，对准那个方向。我们计算了纵向和横向扑角度在转子框架（ u1si和v1si ） ，然后在车身固定重新表达它们利用旋转矩阵（参见图3）帧（ a1si和b1si 。这使我们能够避免计算复杂度使用标准方程扑在本地帧。在每个旋翼挥舞首先通过计算发现，前进比和
14、转子的方位角方向。我们得出这样的：其中，Vr （ N） i为第i个转子速度的第n个元素向量， | IRI是第i个转子前进比和ri为运动的方位角方向。在X - 4传单的配置省去了以前用弹簧铰链的虚拟偏移量。因此，该描述这个运动方程可以大大简化：纵向和横向振荡角度解在本地帧的第i个转子，铋，有：分别为，其中i是不幅员流入第i个转子，近似的 和是锁定号码雷斯曼， 2006 ：其中Ib的是关于刀片的转动惯量扑铰链。这些被转换回体内固定帧由A和Bi之间的帧映射，姬导出车身框架扑角度，由于传单的运动：所产生的扑角度（ 23 ）的组成部分该工艺的俯仰和侧倾率的Prouty ， 2002添加对于与本体固定帧的
15、：!表1 空气动力学参数和相关的错误。4模型参数化和稳定性设计基于此模型的控制器需要参数将指定的物理体系。最这些值是由的飞行性能决定系统;一些，最重要的是h时，可以选择自如。每个参数定义相关联的错误工厂模型的动态响应的包络。我们分析此包络内的系统行为，以确定h的最佳值，转子平面的高度上面的齿轮。气动参数转子，叶片和空气动力学参数的获得通过测量，计算，模拟或引用。这些列于表1中。群众和位移对于测量组件和群众的距离于转子平面，（群众0.005千克，距离0.005 M）列于表2 。需要注意的是此表是不是所有群众的完整列表，但包括所有主要的群众 - 螺丝和紧固件省略（参照图4）。转动惯量从以前的计算值通过处理群众为质点，对角线惯性矩阵的条目中给出表3。焦炉煤气为0.0071 0.005米以上转子平面。图4： X-4元器件偏移。表2 ：部件块和偏移4.2 非受迫性稳定性分析直升机或四旋翼的主要动力，与车辆的纵向动力学有关。周围盘旋，直升机的议案，在很大程度上去耦在每个轴上。的四转子的对称性也就是说，重要的姿态动力学可以描述由一个单一的方程。我们分析了自然这些动态的稳定性提供洞察最好的机身为几何系统的可控性。在早期的工作磅等，2004 ，我们采用的Prouty的稳定性推导，
