2023年全國碩士研究生考試考研英語一試題真題(含答案詳解+作文范文)_第1頁
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文檔簡介

1、<p><b>  摘要</b></p><p>  四旋翼無人機(jī)體積小,結(jié)構(gòu)簡單可靠,飛行靈活,適合復(fù)雜環(huán)境下的作業(yè),能在近地面環(huán)境執(zhí)行巡查、監(jiān)測等任務(wù),可用于軍事和民用。同時由于其獨特的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和動力學(xué)特性,對數(shù)據(jù)獲取、處理及控制算法都有很高的要求。已成為科研機(jī)構(gòu)競相研究的熱點。</p><p>  本文旨在建立一個四旋翼飛行實驗平臺,使其能達(dá)到工程應(yīng)用

2、的目的。 </p><p>  論文首先闡述了四旋翼飛行器的基本飛行原理,給出了整體設(shè)計框架。然后根據(jù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特點,以DSP處理器為核心設(shè)計了四旋翼的姿態(tài)檢測、飛行控制模塊,無刷直流電機(jī)的驅(qū)動模塊,選取了無線通訊模塊,并對各模塊進(jìn)行整合,完成了系統(tǒng)硬件設(shè)計。然后采用四元數(shù)方法對測量的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行了姿態(tài)解算,并對不同傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行了數(shù)據(jù)融合,得到了良好的飛行姿態(tài)。同時將數(shù)據(jù)通過無線方式傳輸?shù)缴衔粰C(jī)進(jìn)行分析

3、,驗證了四旋翼飛行器整體設(shè)計的可行性。 </p><p>  本文在所設(shè)計硬件基礎(chǔ)上對系統(tǒng)進(jìn)行建模,給出了一個簡化的四旋翼數(shù)學(xué)模型,以PID控制算法設(shè)計了四旋翼飛行器的控制器,通過仿真得到穩(wěn)定的控制結(jié)果。并在論文最后闡述了該平臺的上位機(jī)軟件實現(xiàn)。本文初步實現(xiàn)了四旋翼飛行器實驗平臺的建立,為系統(tǒng)的后續(xù)研究打下了基礎(chǔ)。 </p><p>  關(guān)鍵詞: 四旋翼,飛行

4、實驗平臺,姿態(tài)解算,系統(tǒng)建模,PID控制 </p><p>  1.1  四旋翼飛行器的研究意義 </p><p>  無人機(jī)以其體積小、重量輕、機(jī)動性好、飛行時間長和便于隱蔽為特點[1],常被用于執(zhí)行情報、監(jiān)視、偵察、攻擊任務(wù)。尤其是因其無人駕駛,特別適合于執(zhí)行危險性大的任務(wù),故在現(xiàn)代戰(zhàn)爭中正發(fā)揮著越來越大的作用。例如在伊拉克戰(zhàn)爭中,美軍在戰(zhàn)場上使

5、用了十幾種無人機(jī),在對伊作戰(zhàn)中發(fā)揮了巨大作用,給人們留下了深刻的印象。鑒于無人機(jī)在伊拉克戰(zhàn)場上的表現(xiàn),美國防部加大了對無人機(jī)研究的投入。由此也掀起了世界范圍內(nèi)無人機(jī)研究的熱潮。 </p><p>  四旋翼無人飛行器同時也叫四軸飛行器、四旋翼無人機(jī),國外又稱(Four-rotor,4 rotors helicopter,X4-flyer,Quad-rotor)等等,是一種能夠垂直起降

6、的飛行器,它具有四個螺旋槳,并且四個螺旋槳呈十字形結(jié)構(gòu)分布,同一軸向的四旋翼具有相同的旋轉(zhuǎn)方向,兩組螺旋槳的旋轉(zhuǎn)方向相反。與通常所見的直升機(jī)有所不同,四旋翼直升機(jī)只能依靠改變自身螺旋槳的轉(zhuǎn)速來實現(xiàn)各種飛行動作。 </p><p>  四旋翼無人機(jī)可以通過遠(yuǎn)程遙控設(shè)備控制飛行,與載人飛機(jī)相比,它具有體積適中、造價低廉、使用方便的特點。與其他無人機(jī)相比它機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計簡單,滯空能力強(qiáng),靜態(tài)飛行、低速飛行特性好

7、,可以很容易的實現(xiàn)各種飛行姿態(tài)。應(yīng)用于軍事上,可配備相機(jī)或者攝像機(jī),完成低空的偵察任務(wù),監(jiān)視戰(zhàn)場進(jìn)行損傷評估等。在警用方面已有俄羅斯警察將其應(yīng)用于反恐任務(wù),在復(fù)雜的環(huán)境中監(jiān)視犯罪分子的活動。 </p><p>  不僅如此,在民用方面,這種飛行器可以用于空中監(jiān)視城市的環(huán)境狀況和交通狀況。利用它在人們難以到達(dá)的地方搬運物體。在野外營救以及地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測上也能得到很好的利用[2-4]。 </p

8、><p>  四旋翼飛行器的整體結(jié)構(gòu)雖然相對簡易,但是作為一個多輸入多輸出的控制系統(tǒng),空氣動力學(xué)特性復(fù)雜,系統(tǒng)建模也相對困難,外部的干擾更是增加了對其控制的算法的要求。而且它也是一個多學(xué)科的技術(shù)綜合體,涉及到剛體動力學(xué),空氣動力學(xué),控制,檢測,信息等學(xué)科。近些年來隨著微型慣性傳感器件、高性能處理器件的發(fā)展,為四旋翼的設(shè)計與制造,以及商業(yè)化發(fā)展及應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。這也為控制領(lǐng)域的研究提供了一個很好的實驗平臺,在系統(tǒng)建模與

9、仿真,自適應(yīng)控制,捷聯(lián)慣性制導(dǎo),多傳感器數(shù)據(jù)融合以及飛行路徑規(guī)劃等方面均有不錯的研究價值。 </p><p>  綜上所述四旋翼無人機(jī)在軍事,民用方面具有很高的應(yīng)用價值,在科學(xué)研究以及工程實踐上都有重要的研究意義,具有廣闊的發(fā)展的前景。</p><p>  四旋翼飛行器的結(jié)構(gòu)形式和工作原理</p><p><b>  1.結(jié)構(gòu)形式</b&g

10、t;</p><p>  直升機(jī)在巧妙使用總距控制和周期變距控制之前,四旋翼結(jié)構(gòu)被認(rèn)為是一種最簡單和最直觀的穩(wěn)定控制形式。但由于這種形式必須同時協(xié)調(diào)控制四個旋翼的狀態(tài)參數(shù),這對駕駛員認(rèn)為操縱來說是一件非常困難的事,所以該方案始終沒有真正在大型直升機(jī)設(shè)計中被采用。這里四旋翼飛行器重新考慮采用這種結(jié)構(gòu)形式,主要是因為總距控制和周期變距控制雖然設(shè)計精巧,控制靈活,但其復(fù)雜的機(jī)械結(jié)構(gòu)卻使它無法再小型四旋翼飛行器設(shè)計中應(yīng)用

11、。另外,四旋翼飛行器的旋翼效率相對很低,從單個旋翼上增加拉力的空間是非常有限的,所以采用多旋翼結(jié)構(gòu)形式無疑是一種提高四旋翼飛行器負(fù)載能力的最有效手段之一。至于四旋翼結(jié)構(gòu)存在控制量較多的問題,則有望通過設(shè)計自動飛行控制系統(tǒng)來解決。四旋翼飛行器采用四個旋翼作為飛行的直接動力源,旋翼對稱分布在機(jī)體的前后、左右四個方向,四個旋翼處于同一高度平面,且四個旋翼的結(jié)構(gòu)和半徑都相同,旋翼1和旋翼3逆時針旋轉(zhuǎn),旋翼2和旋翼4順時針旋轉(zhuǎn),四個電機(jī)對稱的安裝

12、在飛行器的支架端,支架中間空間安放飛行控制計算機(jī)和外部設(shè)備。四旋翼飛行器的結(jié)構(gòu)形式如圖1.1所示。</p><p><b>  2.工作原理 </b></p><p>  典型的傳統(tǒng)直升機(jī)配備有一個主轉(zhuǎn)子和一個尾槳。他們是通過控制舵機(jī)來改變螺旋槳的槳距角,從而控制直升機(jī)的姿態(tài)和位置。四旋翼飛行器與此不同,是通過調(diào)節(jié)四個電機(jī)轉(zhuǎn)速來改變旋翼轉(zhuǎn)速,實現(xiàn)升力的變化,從而控制飛

13、行器的姿態(tài)和位置。由于飛行器是通過改變旋翼轉(zhuǎn)速實現(xiàn)升力變化,這樣會導(dǎo)致其動力部穩(wěn)定,所以需要一種能夠長期保穩(wěn)定的控制方法。四旋翼飛行器是一種六自由度的垂直升降機(jī),因此非常適合靜態(tài)和準(zhǔn)靜態(tài)條件下飛行。但是四旋翼飛行器只有四個輸入力,同時卻有六個狀態(tài)輸出,所以它又是一種欠驅(qū)動系統(tǒng)。</p><p>  四旋翼飛行器結(jié)構(gòu)形式如圖所示,電機(jī)1 和電機(jī)3 逆時針旋轉(zhuǎn)的同時,電機(jī)2 和電機(jī)4 順時針旋轉(zhuǎn),因此當(dāng)飛行器平衡飛行

14、時,陀螺效應(yīng)和空氣動力扭矩效應(yīng)均被抵消。與傳統(tǒng)的直升機(jī)相比,四旋翼飛行器有下列優(yōu)勢:各個旋翼對機(jī)身所施加的反扭矩與旋翼的旋轉(zhuǎn)方向相反,因此當(dāng)電機(jī)1 和電機(jī)3逆時針旋轉(zhuǎn)的同時,電機(jī)2和電機(jī)4順時針旋轉(zhuǎn),可以平衡旋翼對機(jī)身的反扭矩。</p><p>  四旋翼飛行器在空間共有6個自由度(分別沿3個坐標(biāo)軸作平移和旋轉(zhuǎn)動作),這6個自由度的控制都可以通過調(diào)節(jié)不同電機(jī)的轉(zhuǎn)速來實現(xiàn)。基本運動狀態(tài)分別是:(1)垂直運動;(2)

15、俯仰運動;(3)滾轉(zhuǎn)運動;(4)偏航運動;(5)前后運動;(6)側(cè)向運動。在圖3.2中,電機(jī)1和電機(jī)3作逆時針旋轉(zhuǎn),電機(jī)2和電機(jī)4作順時針旋轉(zhuǎn),規(guī)定沿x軸正方向運動稱為向前運動,箭頭在旋翼的運動平面上方表示此電機(jī)轉(zhuǎn)速提高,在下方表示此電機(jī)轉(zhuǎn)速下降。 </p><p> ?。?)垂直運動:垂直運動相對來說比較容易。在圖中,因有兩對電機(jī)轉(zhuǎn)向相反,可以平衡其對機(jī)身的反扭矩,當(dāng)同時增加四個電機(jī)的輸出功率,旋翼轉(zhuǎn)速增加使得

16、總的拉力增大,當(dāng)總拉力足以克服整機(jī)的重量時,四旋翼飛行器便離地垂直上升;反之,同時減小四個電機(jī)的輸出功率,四旋翼飛行器則垂直下降,直至平衡落地,實現(xiàn)了沿z軸的垂直運動。當(dāng)外界擾動量為零時,在旋翼產(chǎn)生的升力等于飛行器的自重時,飛行器便保持懸停狀態(tài)。保證四個旋翼轉(zhuǎn)速同步增加或減小是垂直運動的關(guān)鍵。 </p><p> ?。?)俯仰運動:在圖(b)中,電機(jī)1的轉(zhuǎn)速上升,電機(jī)3的轉(zhuǎn)速下降,電機(jī)2、電機(jī)4的轉(zhuǎn)速保持不變。為

17、了不因為旋翼轉(zhuǎn)速的改變引起四旋翼飛行器整體扭矩及總拉力改變,旋翼1與旋翼3轉(zhuǎn)速該變量的大小應(yīng)相等。由于旋翼1的升力上升,旋翼3的升力下降,產(chǎn)生的不平衡力矩使機(jī)身繞y軸旋轉(zhuǎn)(方向如圖所示),同理,當(dāng)電機(jī)1的轉(zhuǎn)速下降,電機(jī)3的轉(zhuǎn)速上升,機(jī)身便繞y軸向另一個</p><p>  方向旋轉(zhuǎn),實現(xiàn)飛行器的俯仰運動。</p><p>  (3)滾轉(zhuǎn)運動:與圖b的原理相同,在圖c中,改變電機(jī)2和電機(jī)4的

18、轉(zhuǎn)速,保持電機(jī)1和電機(jī)3的轉(zhuǎn)速不變,則可使機(jī)身繞x軸旋轉(zhuǎn)(正向和反向),實現(xiàn)飛行器的滾轉(zhuǎn)運動。 </p><p> ?。?)偏航運動:四旋翼飛行器偏航運動可以借助旋翼產(chǎn)生的反扭矩來實現(xiàn)。旋翼轉(zhuǎn)動過程中由于空氣阻力作用會形成與轉(zhuǎn)動方向相反的反扭矩,為了克服反扭矩影響,可使四個旋翼中的兩個正轉(zhuǎn),兩個反轉(zhuǎn),且對角線上的來年各個旋翼轉(zhuǎn)動方向相同。反扭矩的大小與旋翼轉(zhuǎn)速有關(guān),當(dāng)四個電機(jī)轉(zhuǎn)速相同時,四個旋翼產(chǎn)生的反扭矩相互平

19、衡,四旋翼飛行器不發(fā)生轉(zhuǎn)動;當(dāng)四個電機(jī)轉(zhuǎn)速不完全相同時,不平衡的反扭矩會引起四旋翼飛行器轉(zhuǎn)動。在圖d中,當(dāng)電機(jī)1和電機(jī)3的轉(zhuǎn)速上升,電機(jī)2和電機(jī)4的轉(zhuǎn)速下降時,旋翼1和旋翼3對機(jī)身的反扭矩大于旋翼2和旋翼4對機(jī)身的反扭矩,機(jī)身便在富余反扭矩的作用下繞z軸轉(zhuǎn)動,實現(xiàn)飛行器的偏航運動,轉(zhuǎn)向與電機(jī)1、電機(jī)3的轉(zhuǎn)向相反。</p><p> ?。?)前后運動:要想實現(xiàn)飛行器在水平面內(nèi)前后、左右的運動,必須在水平面內(nèi)對飛行器

20、施加一定的力。在圖e中,增加電機(jī)3轉(zhuǎn)速,使拉力增大,相應(yīng)減小電機(jī)1轉(zhuǎn)速,使拉力減小,同時保持其它兩個電機(jī)轉(zhuǎn)速不變,反扭矩仍然要保持平衡。按圖b的理論,飛行器首先發(fā)生一定程度的傾斜,從而使旋翼拉力產(chǎn)生水平分量,因此可以實現(xiàn)飛行器的前飛運動。向后飛行與向前飛行正</p><p>  好相反。當(dāng)然在圖b圖c中,飛行器在產(chǎn)生俯仰、翻滾運動的同時也會產(chǎn)生沿x、y軸的水平運動。</p><p>  (

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