文章编号:1671-637Ⅹ(2007)06-0113-05微小型四旋翼飞行器的研究现状与关键技术聂博文, 马宏绪, 王 剑, 王建文(国防科学技术大学机电工程与自动化学院,长沙 410073)摘 要: 微小型化是世界无人机发展的重要方向之一。
对一种新颖的微小型四旋翼无人飞行器进行了介绍,综合了微小型四旋翼飞行器的概念和特性,然后主要从机构设计和飞行控制两方面介绍了世界微小型四旋翼飞行器的发展现状,详细叙述了小型四旋翼飞行器的发展技术路线。
在此基础之上,进一步分析了相关的关键技术问题,并对未来发展、应用前景作了展望。
最后介绍了某微小型四旋翼飞行器研究进展情况。
关 键 词: 四旋翼飞行器; 微小型无人机; 微机电系统(ME MS); 飞行控制; 编队飞行中图分类号: V271.4文献标识码: AStudy on actualities and criticaltechnologies of micro mini quadrotorNIE B o-wen, MA Hong-xu, W ANG Jian, WANG Jian-wen(Co llege of Mechtronic&Automation,National University of Defense Technology,Changsha410073,China)A bstract: Micromation miniaturization is one of the most important trends of the world's UAVs.In this pa-per,a novel micro mini four rotor vehicle(quadrotor)was summarized.At first,the concept and characteris-tics of the quadrotor were pr oposed.Then the status of the micro mini quadrotor was introduced and its fabrica-tion and flight control were summarized.The trends of the mini quadr otor's development were described in de-tail.Further more,the associated critical technologies and future development were presented.The research status of the quadrotor developed by the Robot Lab in National University of Defense Technology was also de-scribed.Key words: quadrotor; micr o mini unmanned air vehicle; micr o electromechanical system; flight con-trol; formation flight0 引言微小型四旋翼飞行器是一种电动的、能够垂直起降(VTOL)的、多旋翼式遥控自主飞行器。
它在总体布局形式上属于非共轴式碟形飞行器,与常规旋翼式飞行器相比,其结构更为紧凑,能够产生更大的升力,并且4只旋翼可相互抵消反扭力矩,不需要专门的反扭矩桨。
早在1907年,Bréguet-Richet就让世界上第一架四旋翼飞行器“Gyroplane No.1”升上了天空[1]。
收稿日期:2006-06-23 修回日期:2006-08-09作者简介:聂博文(1981-),男,四川自贡人,硕士生,主要从事微小型无人机方面的研究。
但由于构造复杂、不易操纵等原因,大型四旋翼飞行器的发展一直都比较缓慢。
近年来,随着新型材料、微机电(ME MS)、微惯导(MI MU)以及飞行控制等技术的进步,微小型四旋翼飞行器得到了迅速发展,逐渐成为人们关注的焦点。
微小型四旋翼飞行器特别适合在近地面环境(如室内、城区和丛林等)中执行监视、侦察等任务,具有广阔的军事和民用前景;与此同时,它还是火星探测无人飞行器的重要研究方向之一[2];另外,新颖的外形、简单的结构、低廉的成本、卓越的性能以及独特的飞行控制方式[3](通过控制4只旋翼的转速,实现飞行控制)使其对广大科研人员具有很强的吸引力,成为国际上新的研究热点。
第14卷第6期2007年12月 电光与控制ELECTRONICS OPTICS&C ONTROL Vol.14 №.6Dec.20071 微小型四旋翼飞行器的研究现状目前世界上存在的四旋翼飞行器基本上都属于微小型无人飞行器,一般可分为3类:遥控航模四旋翼飞行器、小型四旋翼飞行器以及微型四旋翼飞行器。
1.1 遥控航模四旋翼飞行器遥控航模四旋翼飞行器的典型代表是美国Dra -ganflyer 公司研制的Draganflyer Ⅲ[3-4]和香港银辉(silverlit )玩具制品有限公司研制的X -UFO 。
Dra ganflyer Ⅲ是一款世界著名的遥控航模四旋翼飞行器,主要用于航拍。
机体最大长度(翼尖到翼尖)76.2cm ,高18cm ,重481.1g ;旋翼直径28c m ,重6g ;有效载荷113.2g ;可持续飞行16～20min 。
Dra ganflyer Ⅲ采用了碳纤维和高性能塑料作为机体材料,其机载电子设备可以控制4个电机的转速。
另外,还使用了3个压电晶体陀螺仪进行姿态增稳控制。
X -UFO 机体最大长度68.5cm ,高14cm ;持续飞行时间约5min ;遥控距离可达100m 。
X -UFO的旋翼被置于发泡聚丙烯(EPP )制成的圆环中,比Draganflyer Ⅲ有更好的安全性。
图1 Draganflyer Ⅲ 图2 X -UF O1.2 小型四旋翼飞行器世界上对小型四旋翼飞行器的研究主要集中在3个方面:基于惯导的自主飞行控制、基于视觉的自主飞行控制和自主飞行器系统方案,其典型代表分别是:瑞士洛桑联邦科技学院(EPFL )的OS4[5-7]、宾夕法尼亚大学的HMX4[8]和佐治亚理工大学的GT MARS [2]。
OS4是EPFL 自动化系统实验室开发的一种电动小型四旋翼飞行器,研究的重点是机构设计方法和自主飞行控制算法,目标是要实现室内和室外环境中的完全自主飞行。
目前,该项目已经进行了两个阶段。
OS4I 最大长度约73cm ,质量为235g ;它使用了Draganflyer Ⅲ的旋翼和十字框架,4个Faulhaber 1724电机,以及一个Xsense 的MT9-B 微惯性测量单元。
研究人员通过万向节将它固定于飞行测试平台之上,使其只具有3个转动自由度;能源供给、数据处理、电机驱动模块以及飞行控制单元都由飞行器外部提供;至2004年,已经分别基于多种控制算法(例如:PID [5]、LQ[5]、Backstepping[6]、Sliding -mode [6]),实现了飞行器姿态控制。
OS4II 的机身最大长度72c m ,重520g ;机载230g 的锂电池,能提供自主飞行30min 的能量。
它与OS4I 的区别主要有:使用了桨叶面积更大的新旋翼;使用了更轻、功率更大的LR K 无刷电机B LDC ;使用皮带减速装置代替了电机减速箱;控制器、传感器、电池和电机驱动模块等都直接安装在机体上,不再由机体外部提供。
2006年1月,EPFL 已经实现了OS4II 在室内环境中基于惯导的自主悬停控制。
图3 OS4I 图4 OS4IIH MX4在机构上与Draganflyer Ⅲ相似,最大长度76cm ,重约700g ,机体底部有5个彩色标记。
地面摄像头跟踪并测量标记的位置与面积,从而计算获得飞行器的3个姿态角(角速率则由3轴陀螺仪测量获得,主要用于飞行器姿态增稳控制)和位置。
研究人员将整个系统安装在一个实验平台上(该实验平台只对飞行器在水平面内的运动范围进行了限制),实现了自主悬停控制,使用的控制算法是Backstepping 。
最近,H MX4研究人员又开发了一套基于机载和地面双摄像头的视觉定位与定姿系统,进一步提高了测量的精度。
这种基于视觉的飞行控制方法可以很好地应用于一些特殊的任务,比如:在固定平台自主起飞与降落,与地面可移动机器人协同等。
GT MARS 是佐治亚理工大学面向火星探测任务而设计的C AD 无人机系统。
它重20kg ,旋翼半径0.92m ,续航时间30min 。
折叠封装的GTMAR S 随四面体着陆器登陆火星后,能自动将机构展开;能自主起飞和降落,巡航速度可达72km h ;另外,它还能返回到着陆器补充能量(着陆器装载有太阳能电池)。
1.3 微型四旋翼飞行器微型飞行器(MAV )从一开始就引起了人们极大的兴趣,斯坦福大学的Mesicopter 是目前世界上最著名、最重要的MAV 之一[9]。
Mesicopter 是斯坦福大学的研究小组在NASA 支持下,为研究微型旋翼飞行器技术而设计的。
机114 电光与控制 第14卷图5 HMX4 图6 GTMARS身为16mm ×16mm 方形框架;旋翼直径1.5cm ,厚度0.08mm ;电机直径3mm ,重量325mg 。
目前已经完成了试验样机在一竿臂上的离地起飞,进一步的工作仍在继续,最终目标是实现自主飞行和多飞行器协同完成具体任务。
图7 Mesicopter2 微小型四旋翼飞行器发展的关键技术 迄今为止,微小型四旋翼飞行器基础理论与实验研究已取得较大进展,但要真正走向成熟与实用,还面临着诸多关键技术的挑战。
2.1 最优化总体设计进行微小型四旋翼飞行器总体设计时,需要遵循以下原则:重量轻、尺寸小、速度快、能耗和成本低。
但这几项原则相互之间存在着制约与矛盾,例如:飞行器重量相同时,其尺寸与速度、能耗成反比[10]。
因此,进行微小型四旋翼飞行器总体设计时,首先要根据性能和价格选择合适的机构材料,尽可能地减轻飞行器重量;其次,需要综合考虑重量、尺寸、飞行速度和能耗等因素,确保实现总体设计的最优化。
2.2 动力与能源动力装置包括:旋翼、微型直流电机、减速箱、光电码盘和电机驱动模块,能量由机载电池提供。
微小型四旋翼飞行器的重量是影响其尺寸的主要因素,而动力与能源装置的重量在整个机体重量中占了很大比例。
对于OS4II ,该比例就高达75%[7]。
因此,研制更轻、更高效的动力与能源装置是进一步微小型化四旋翼飞行器的关键。
另一方面,动力装置产生升力时,消耗了绝大部分机载能量。