文 献 综 述
1 课题研究背景及意义
四旋翼飞行器是一种拥有垂直起降能力的独特的无人机,以强大机动性著称。四旋翼飞行器是欠驱动系统,其具有包含滚转角、俯仰角、偏航角和油门在内的4个输入量及6个输出量[1]。
早在1907年由Breguet兄弟设计的四旋翼飞行器“Gyroplane No.I”就飞上了天空[2]。然而直到近些年,由于在军事和民用中具有巨大的潜力,才使得包括四旋翼在内的各种多旋翼飞行器受到研究界和公众的广泛关注。随着传感器融合、即时定位与地图构建(SLAM)、计算机视觉和控制等相关技术的快速发展,多旋翼无人机的新用途也在被不断开发。受益于消费电子和信息技术产业的推动作用,微机电系统(MEMS)、锂电池、碳纤维材料以及机载计算和无线通信等设备的价格得以下降,从而降低了多旋翼无人机的价格,使得如今许多普通客户、业余爱好者都能负担得起[3]。未来,多旋翼无人机可能将是机器人领域的重要变革者之一。它们可以在受限制的三维环境中探索、绘制建筑物结构,甚至执行诸如装配之类的空中交互性操作任务,而不再局限于被动观察。但多旋翼无人机也面临着众多挑战,其中主要包括部件尺寸限制、有效载荷限制以及缺乏高保真动力学模型等[4]。
2 多旋翼飞行器研究历程与现状
推进多旋翼飞行器的发展需要同时进行设计和控制上的改进,设计的改进能简化控制,反之亦然[5]。
尽管波音直升机公司和美国陆军研究部门等机构已经提出了可靠的大型旋翼飞行器常规尺寸设计方法,但由于其考虑了内燃机和涡轮喷气发动机所需的燃料重量,对于电动的小型多旋翼飞行器并不适用。目前,针对如何精确确定特定任务的四旋翼飞行器部件的尺寸的理解还比较有限。然而,我们可以基于一些现有制造商的数据,导出四旋翼飞行器部件的经验公式[6]。
多旋翼飞行器的欠驱动性是进行空中运行与操作的一个关键挑战,即它不能在不倾斜机体平台本身的情况下改变推力方向。为解决这一问题,具有多自由度机械臂的多旋翼飞行器被广泛研究,但却存在一定的局限性。为此,首尔大学的研究人员提出了一种新型球形连接的多旋翼平台,其由刚性框架和多个由球形关节连接到框架的四旋翼组成。根据四旋翼飞行器的数量及其配置,该平台可以完全或部分地克服用于空中运行与操作的普通多旋翼无人机的欠驱动问题(例如,具有侧向阵风的机体倾斜、难以实现动态交互等)[3]。
多种控制算法已经成功地应用到四旋翼的控制开发中,其中包括PID控制、滑模控制、反步控制、视觉反馈以及自适应控制[7]。
在众多针对四旋翼飞行器控制的研究工作中,由洛桑联邦理工学院自动化系统实验室开发的OS4项目是早期的典型代表[8],成为了后续很多相关研究的基础与参考。OS4项目希望通过不同的理论实现四旋翼飞行器的室内自主导航,其于2004年实现了四旋翼飞行器的动力学建模[5]。同年,该实验室基于简化模型比较了两种线性控制器PID与LQ,证明了PID控制对微小扰动下方向角的控制能力,但无法克服风力下的强烈干扰[9]。随后2005年,该实验室进一步研究了反步控制与滑模控制在该四旋翼飞行器上的控制效果,证明了反步控制对高扰动下方向角的控制能力,但悬停稳定性较差[10]。2007年,该实验室运用了结合了PID与反步控制的积分反步控制,诞生了第一架能实际避障机动的四旋翼飞行器[11],并提出未来需要加强基于视觉传感器的导航[12]。
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