基于微型多旋翼无人机的气象及环境监测系统设计

文章针对我国综合气象观测业务应对重大灾害应急、大型活动气象服务、重污染等灾害性天气监测等方面的应用需求,解决近地面低空探测手段缺乏、灵活性差、成本高等问题。根据微型多旋翼无人机的特点,提出了以多旋翼无人机为载体,搭载微型气象和环境探测设备,开展定点、定时的低空气象和环境监测。文章主要从微型气象及环境探测子系统研发、基于"云"服务的数据传输及应用子系统设计,以及基于小型无人机气象观测业务规范制定等方面,详细阐述了系统的整体设计方案。     

一种双倾斜式全驱动六旋翼无人机的建模与控制

常规旋翼无人机大都采用共线设计,只能产生竖直方向的推力,极大地限制了旋翼无人机在涉及物理交互任务时的应 用。 针对此问题,研究了一种双倾斜式全驱动六旋翼无人机,采用旋翼转轴非共线的设计方法,可以实现位置与姿态的独立控 制。 提出了一种抑制抖振的改进型积分滑模控制器,并与 PID 控制器、积分反演控制器和传统积分滑模控制器进行对比。 仿真 结果表明,所提出的改进型积分滑模控制器能够实现旋翼无人机位置与姿态的独立控制,并能够有效克服自身模型参数的不确 定性以及外部的风场扰动完成定点悬停与复杂的轨迹跟踪。 实物样机实验结果表明,该设计的全驱动旋翼无人机在长距离横 向运动时能够保持水平姿态, 俯仰角和滚转角误差控制在±2°以内。     

新型非对称变距结构及其力学分析

针对旋翼飞行器本体微型化的瓶颈问题,介绍了一种新型非对称变距结构,研究并分析了其变距机理和控制特性,并对变距关键件弹性连杆进行了弹性力学分析和有限元计算,得到桨距变化与旋翼主轴电机的输出扭矩成线性关系.再通过光电传感器和位置控制码盘检测旋翼所在相位,以便在预期变距相位改变电机转速,从而实现微型旋翼飞行器各向机动飞行.     

四旋翼无人飞行器双闭环PID控制器设计

针对Qball-X4四旋翼无人飞行器自身的结构特点,建立了系统的非线性数学模型,基于此模型设计了由姿态内环与位置外环组成的双闭环PID控制器,并根据姿态与位置的耦合关系提出了内外环之间进行控制量校正的方法,以提高控制器的控制精度。最后将该控制器用于QballX4系统,成功地实现了室内定点悬停飞行,实验结果验证了该控制方法的有效性以及较好的控制效果。     

C8051F020的微型旋翼飞行器实验平台的控制系统

提出了一种与传统桨距角递推算法不同的基于高速摄影和图像处理的桨距角测定方法。根据实验要求,开发了一个以微型旋翼飞行器的非对称变距装置为测试主体的实验平台,并设计了一套基于C8051F020的微型旋翼飞行器实验平台的控制系统。该控制系统以C8051F020单片机为微控制器,用微型位置传感器来检测螺旋桨主轴的相位信息,并利用C8051F020单片机内部的PCA捕捉功能采集位置传感器的输出信号,得到螺旋桨主轴的四个相位;利用单片机输出的PWM方波信号控制电机的转速,以达到对螺旋桨电机进行加速的目的;利用单片机内部产生的PCA捕捉中断来触发高速摄像机的拍摄,以实现飞机加速与拍摄的同步。该控制系统结构紧凑,系统可靠性高。最后通过该控制系统来控制微型飞行器仿真飞机前飞的状态,得到该状态下桨叶的变距曲线,证明所提出的桨距角测定方法和由此开发的实验平台在测量桨距角中是有效的,达到了预期目标。     

四旋翼飞行仿真器的PID神经元网络控制器设计

针对四旋翼飞行仿真器系统具有多输入、多输出及多变量等特点，设计了一套基于四旋翼飞行仿真器的PID神经元网络控制器。首先建立四旋翼飞行仿真器系统模型，然后以四旋翼飞行仿真器为控制平台，并以MATLAB/Simulink软件为实验平台，搭建PID控制器和PID神经元网络控制器模型，并分别使用两种控制方法进行实时飞行仿真实验。最后实验结果表明，相比PID控制，PID神经元网络控制方法对四旋翼飞行仿真器的调节时间更短、超调量更小，具有更优的控制性能。     

四旋翼微型飞行器的区间二型模糊神经网络自适应控制

针对四旋翼微型飞行器控制系统中存在不确定性、外界干扰等影响控制精度的问题,提出了基于区间二型模糊神经网络(IT_IIFNN)的四旋翼微型飞行器自适应控制方案.首先,根据四旋翼微型飞行器的动力学模型,设计了基于IT_IIFNN的四旋翼微型飞行器自适应控制器,该控制器由两部分构成,其中IT_IIFNN用来在线逼近系统不确定性;鲁棒补偿器用来实时补偿IT_IIFNN的逼近误差以及外界干扰.其次,利用Lyapunov稳定理论证明此飞行器控制系统闭环稳定性.最后,通过四旋翼微型飞行器样机来验证IT_IIFNN自适应控制器的优越性.验证结果显示,在加入风速为1.5 m/s的外界干扰条件下,跟踪误差可近似达到10-2.结果表明,IT_IIFNN自适应控制器具有良好的跟踪精度、稳定性及鲁棒性.     

基于视觉的小型四旋翼无人机自主飞行控制

提出为实现小型四旋翼无人机自主飞行控制,设计一种基于视觉的飞行控制方法,并搭建嵌入式控制架构飞行试验平台。在控制过程中,光流信息与姿态角信息进行融合用于估计无人机水平位置信息,利用获取到的水平位置信息作为内外环结构的比例微分积分(Proportion integration differentiation,PID)控制器外环反馈信息。不同于传统的基于地面站的控制架构试验平台,该飞行系统中采用了一个嵌入式控制架构的试验平台。该平台依靠机载嵌入计算机进行光流计算、运动状态估计,并采用机载飞行控制器执行控制算法。这种嵌入式控制架构工程实现难度高,但更利于实现四旋翼无人机的全自主飞行控制。试验结果表明,提出的设计方法取得了较好全自主飞行控制效果。     

基于无人机平台的风电叶片表面在线检测系统结构设计

设计了一种基于无人机平台的叶片在线检测系统。该系统由四旋翼无人机、损伤检测仪器和检测设备的空间位置调节装置等构成。设计了一种微型移动平台，用精密丝杠带动损伤检测设备在水平-垂直两自由度方向调节空间位姿；设计了红外检测机构，用小型旋转电机调节红外检测设备的正视角度方向，有效扩大了红外检测范围。经验证，该叶片在线检测系统对于提高叶片检测设备的稳定性和提高检测图像的清晰度是可行的。     

胃肠道药物释放微机器人结构设计

基于微电子技术的胃肠道微型药丸是肠道疾病诊断、治疗以及胃肠道代谢特性研究的有效工具.本文介绍正在进行的用于肠道药物定点释放的微型药丸的研制工作,该微型药丸以压力气体致动式工作原理为物理模型,由体外定点控制实现药物定点释放功能.实验表明,本文研制的微型药丸生物相容性好释放动作比较可靠,可满足胃肠道定点药物释放的实验研究需要.     

基于PID算法的低功耗微型磁悬浮控制系统设计

针对当前市面上微型磁悬浮装置调节不够快速灵敏，导致调节功耗大的问题，提出一种基于PID算法的低功耗微型磁悬浮控制系统。首先，详细介绍了微型磁悬浮控制系统的方案设计，包括磁悬浮系统结构、磁悬浮控制方案以及悬浮体失衡控制原理；然后，从关键电路设计和程序设计方面介绍了基于PID算法的磁悬浮控制系统实现；最后，对所设计的磁悬浮控制系统进行了测试，并与市面上购买的磁悬浮装置进行了功耗测试对比。测试结果表明，所设计控制系统实现了磁悬浮的低功耗调节。     

悬停状态共轴双旋翼桨叶扭转设计及升力性能分析

为提高旋翼型微型、小型飞行器桨叶的升力性能,建立了一套基于悬停状态下的单旋翼、共轴双旋翼桨叶扭转设计方法。该方法通过理论推导和程序计算得到单旋翼的桨叶扭转几何安装角,考虑桨尖涡对桨叶几何安装角的影响,对桨尖的扭转几何安装角进行了修正,实现悬停状态下单旋翼桨叶扭转设计;考虑到桨尖涡以及上下旋翼间的气动干扰,对共轴双旋翼上、下旋翼进行了悬停状态下几何安装角的扭转设计,并对所设计的单旋翼、共轴双旋翼进行模拟仿真测试,仿真结果表明悬停状态下该方法设计的扭转单旋翼、共轴双旋翼与非扭转旋翼相比升力分别提升8.83%、35.87%;同时对水平风阻、翼展、转速对桨叶升力的影响进行了仿真模拟。     

基于MEMS的低成本多旋翼飞控设计以及实现

随着多旋翼飞行器应用场景的增多以及MEMS传感器技术的进步,低成本MEMS传感器应用在多旋翼飞控上需求越来越广。研究设计了一种基于MAX21000+ADXL362+HMC5983+MS5611等MEMS传感器的多旋翼飞控,处理器采用STM32F407,大大降低了硬件成本。在算法层面,姿态通道采用线性自抗扰(LADRC)中的微分跟踪器和线性状态扩张器,减少了超调,提高了抗干扰能力,实现了姿态控制和定点飞行等功能。经实际飞行表明,基于MEMS传感器的低成本多旋翼飞控具有成本低、性价比较高和算法简洁等优点,非常适合消费级多旋翼使用。     

一种微型无人直升机旋翼操纵机构

微型无人直升机的体积小 ,载重量轻 ,其旋翼操纵机构在原理上与传统的有人直升机和无人直升机有一定的不同。本文论述了一种利用惯性力的作用和材料的弹性性能 ,达到对旋翼的操纵目的的微型无人驾驶直升机旋翼操纵机构。该机构对电机驱动力矩的变化反应灵敏 ,能够满足控制微型无人直升机各种飞行模态的需要 ,同时具有结构简单 ,重量轻巧 ,体积小 ,加工方便的特点     

旋翼间距对微型四旋翼无人机负载特性影响

结合雷诺平均N-S(Navier-stokes)方程以及Laminar层流模型建立了微型四旋翼无人机旋翼流场的三维模型,通过求解N-S方程的方法,研究了微型四旋翼悬停状态下不同旋翼间距对其气动特性的影响。旋翼升力测量实验以及非定常计算得到的仿真误差为8.17%,验证了仿真数据的有效性。分别对升力、力矩以及悬停效率进行分析,得到了旋翼间距3.8 r是最佳的微型四旋翼间距方案的结论;进一步对单旋翼以及不同旋翼间距的流场进行分析得出旋翼之间的气动扰动可以改变翼尖涡的强度,从而产生不同的气动特性。     

主动后缘襟翼对旋翼桨毂振动载荷控制的机理与风洞试验

结合较高精度和可靠性的旋翼刚柔耦合动力学模型和旋翼自由尾迹空气动力学模型，建立包含主动控制后缘襟翼(Active control trailing edge flap,ACF)的旋翼桨涡干扰气弹耦合分析模型，开展基于ACF主动控制技术的旋翼桨毂振动载荷控制。分析旋翼前进比、ACF控制频率和初始相位对桨毂振动载荷控制效果的影响，得到桨涡干扰情况下ACF对旋翼桨毂载荷的振动控制机理，仿真分析表明，在前进比为0.15时，3倍频的ACF最佳控制相位为300°，4倍频的ACF最佳控制相位为270°，前进比为0.12时，4倍频的ACF最佳控制相位变为190°。研究得到ACF控制规律如下：ACF在桨盘50°～80°方位为最小正偏角时可以有效降低桨毂振动载荷；而当ACF在桨盘50°～80°方位为最大正偏角时不利于桨毂振动载荷的控制。基于此控制规律，在ACF旋翼风洞试验台上开展ACF开环控制的验证试验。结果表明，试验数据与仿真计算规律相吻合，提出的ACF控制策略对前进比为0.12和0.15的来流工况下的旋翼桨毂振动载荷均可实现有效降低。     

微型多旋翼无人机遥感技术在露天煤矿开采期水土保持监督性监测中的应用

将微型多旋翼无人机遥感技术应用到露天煤矿开采期项目水土保持监督性监测中，辅助完成防治责任范围变化情况、地表扰动变化情况、措施面积及工程形象进度情况、零星堆渣体变化情况、弃渣场两期方量变化情况等水土保持监督性监测工作，大幅度增强监测工作效率、提高监测成果质量，有效降低监测人员工作强度，总结出一套能有效提高微型多旋翼无人机遥感成果质量的工作流程。     

低雷诺数四旋翼飞行器升力分析与计算方法的研究

阐述了一种运用叶素理论,对微型直升机的旋翼性能作了理论分析与计算.近似计算低雷诺数下四旋翼微型直升机实现悬停飞行的可能性,同时为微型直升机的旋翼平面设计和安装角选择提供理论依据.通过具体实验结果,对计算结果和实验结果两者存在的差别作了分析比较.     

多旋翼无人机自主巡检关键技术研究

基于目前多旋翼无人机广泛应用于输电线路电力巡检的背景,从功能设计、自动避障、路径规划三个方面讨论多旋翼无人机自主巡检关键技术。研究设计多旋翼无人机自主巡检控制功能模块并划分无人机巡检工作状态,然后分析无人机自动避障原理及搭载多元化传感器避障的传感器选型依据,阐述多种无人机路径规划算法的核心原理并进行了优劣性对比。     

全向旋翼机械臂设计、建模及动态补偿PID控制

设计了一种新型全向驱动旋翼机械臂系统,研究了其建模方法并提出了基于动态补偿PID的旋翼平台全向驱动控制方法。首先设计并分析了新型全向驱动旋翼机械臂机构;然后采用Craig参数法与递归Newton-Euler方程建立系统运动学与动力学模型,得出了旋翼平台与机械臂间动力学关系;针对旋翼平台全向驱动控制问题提出了动态补偿PID控制方法,最后推导出统一的多旋翼平台驱动力/力矩与转速的耦合矩阵方程实现设计与解耦计算。仿真考虑了随机噪声与扰动、参数不确定性、功率限制等实际问题,结果显示设计的系统能完成传统旋翼机械臂理论上无法完成的全向驱动控制并具有良好的控制品质,与Backstepping方法比较得出,在具有机械臂运动的任务级控制中,动态补偿PID控制有更好的控制精度和更强的扰动抑制能力。动态补偿控制实验验证了方法的实用性与有效性。