电动植保无人机设计外文翻译资料

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2013年无人机系统国际会议（ICUAS）

五月28-31，2013，君悦亚特兰大，佐治亚州亚特兰大

多转子无人机的新型驱动概念

保罗·塞吉 - 加斯科因1亚赞·里哈尼（Yazan Al-Rihani）2孝桑·希3和萨维瓦斯山4

摘要 - 本文介绍了一种新的策略提高多转子的性能和可靠性汽车。 该策略采用双轴倾斜旋桨以产生控制动作的机制启动是：陀螺转矩，推力矢量和差动推力实现新概念，在本文中详细介绍。 执行器的型号也被描述，包括刚体方程螺旋桨和电机和伺服电机动力响应。 提出了传统的控制系统实现PD和伪逆控制分配器稳定车辆。 测试显示车辆比传统的对应物更快，它可以抵抗两个转子的失效。 结果表明较高的惯性螺旋桨可能导致更大的性能提升

一，引言

大型小型无人驾驶航空无人机（UAV）的应用激增在过去几年内作为援助提供功能更贵又复杂载人系统这些小型无人机是特别的适合人类的工作肮脏，危险或沉闷，因此，市场潜力在未来几年。其中各种类型的无人机，四旋转平台都有被广泛应用于研发领域进行测试算法和技术由于其简单性，易于使用和维护，成本低廉。然而，一般来说，四转子或多转子，有自己的缺点。有两个专业当试图将它们扩大时的问题，即，可靠性和灵活性。灵活性是多方面的问题，转子因为作为多转子的尺度，有两个主要问题会减缓其动力响应。首先，如[11]如车辆所示扩大其惯性要求很高较大的控制力矩创造出相同的角度加速在机身上二，作为重量建立起来，假设一个恒定的光盘加载，螺旋桨尺寸增加，因此它的惯性秤与车辆平均重量。这个使其角速度的变化很大随着车辆尺寸的增加而变慢，因此，它减少了控制带宽。另一个危害四旋转的问题是责任，由于其固有的依赖电梯的对称性。如果任何执行器失效，车辆完全不稳定。为了减轻这种可靠性问题，有两种方法在我们以前的研究[10]中提出：第一个方法使用具有可变螺距的螺旋桨第二种方法转移了CG。虽然两者的方法可以重新配置俯仰和滚动轴的可控性，偏航轴仍然无法控制有一些尝试要克服这些问题。一个天真的方法来解决一些影响传统四旋转机的问题是增加转子数。典型例子包括六个转子，六转子或八个电动机。这种方法有几个优点：机械简单性和可靠性增强由于其执行器数量的增加。然而，这种方法可能需要一个不合理的 - 数量适中的推进器。这种方法的另一个问题是，tia会增加，因为数量越大武器。因此，他们会增加结构重量分数，增加惯性并因此降低带宽有效载荷一些其他方法提出了各种各样的不同的致动系统。一个有效的方法已被Cutler等人[4]使用具有可变螺距的螺旋桨显示。虽然可变音调方法[4]设法保持体重下降，几乎可以增加执行器的带宽一个数量级。但是，由于失败的执行器可能会导致不可控制的偏航可靠性仍然是一个问题。

参考文献[9]，控制力矩陀螺仪（CMG）建议增加ac-控制系统的导演合并推力vec-toring方法，然而，这种方法很大使系统复杂化，可以显着由于额外的有效载荷而增加其重量，例如飞轮和推力矢量叶片系统。Gary R. Gress [6]提出了一个使用的想法对侧倾斜（OLT）来控制俯仰使用螺旋桨作为陀螺仪的态度。在他的最新工作[7] OLT被证明给予更高的价值控制权力比其他手段的驱动如风扇。另外，这个概念被调查参考文献[8]和[1]通过检查其有效性数值模拟和一些实验。参考文献[12]还提供了OLT技术的调查和更深入的倾斜建模现象这项研的目的是开发一个动作可以利用三种不同的推力矢量 - [7]和陀螺仪转矩[9]，为了al-除了常规的两大问题四旋转，灵活性和可靠性。建议推动的概念是实现双重这个研究的新颖性在于轴倾斜。与Lim等人开发的类似概念不同[9]引入了额外的设备，如飞轮和叶片，提出的方法使用飞轮作为飞轮产生三个致动模式更简单，更加集成。在里面双轴倾斜机构，陀螺仪转矩通过使用角动量和快速实现倾斜其旋转轴。推力矢量是通过定向每个螺旋桨的推力而产生独立于身体。差分推力是通过传统的四旋转策略实现转子中的微分角速度。这项研究的主要目标是，提出了一个提高可靠性的新概念。敏捷，设计和原型一个新颖的四旋转，实现了新颖的概念，产生了高水准新型四旋转机的保真度仿真模型以协助了解其动态和动态其控制系统设计。目标也包括常规控制系统的设计为了稳定新车，飞行试验为了验证所提出的致动概念，最后分析一下新平台实际上也提高了质量提高四旋转系统的可靠性。为了实现这些目标，策略其次是考虑以下步骤：第一，a设计了这一新概念的实现使用COTS材料生产原型四旋转第二，一个数学模型已经开发出所有相关的致动现象;第三，基于这种模式的常规控制系统设计稳定车辆;最后车辆已经飞行测试了已经进行了一些容错实验出来在以下部分中，将首先介绍四旋转机的打字。然后，仿真模型的概述将会被描述。接下来，执行的测试将是介绍了控制设计的概述系统。最后，分析和讨论呈现结果。

二，原型

显示了这种新颖的手臂概念的实现在图1（a）中。这里我们已经在商业上使用了可用部件最小化定制的数量制造零件。这个设计是围绕着作为框架的伺服块[13]部分安装标准尺寸的RC伺服器，降低它将整个手臂绕其轴线移动。连接安装在手臂中的另一个伺服器通过推动机构到电机安装座其平行于伺服杆旋转。就这样螺旋桨旋转轴可以自由配置由伺服电机产生的两个角度。这两个角度/运动被称为推拉和伺服块车载原型可见图1（b）。具有标称值的车辆尺寸计划中显示了三公斤的重量图2.伺服电机用于伺服电机而推杆是Hitec的HS-7940TH。螺旋桨因为均匀而三叶片模型分布其质量和惯性主风螺旋3刀片12x6 in。电机

使用的是无刷直流超霸MK3638由Mikrokopter。使用的ESC是Roxxy来自Robbe的Bl控制930-6。车子了两个电池，一个为伺服电机供电，aLiPo 7.4V 2S1P 3200mAh 25C和另一个电动马达，一个LiPo 14.8V 4S1P 5000mAh20C。所使用的传感器套件是SBG的IMU系统，IG-500N，这个单元有一个嵌入式处理器能够输出滤波态和posi-数据高达100 Hz。所有的控制软件由Digilent在Max32板上运行，运行驱动PIC32，伺服电机和ESC由Parallax螺旋桨板。遥测是

由Digi使用XBee模块实现。更详细的车辆设计概述可以在Al-Rihani [2]的论文中找到Segui-Gasco [5]或作者的另一篇论文[3]。

三，造型

在本节总体概述主要涉及到致动器的建模的现象，描述系统。这可以找到作者进一步阐述文件[3]其中专门关注建模和模拟车辆。的建模致动现象有3个主要部分。一是发展刚体的关系将扭矩描述为倾斜螺旋桨车辆运动和倾斜的功能动议。另一个是表征在推力和扭矩系数方面有效。最后，创建的单个执行器倾斜运动，伺服电机和电动机改变螺旋桨的角速度是动态的特征。陀螺激励建模陀螺效应被模拟为reac-由单个转子产生的旋转执行器的车辆运动和倾斜运动。换句话说，假设转子 - 螺旋桨组件，如图3（a）所示，作为一个飞轮，当倾斜时，产生陀螺仪反应转矩。动议之间的关系的第j个转子和施加到其上的力矩表示在参考框架i上从图3（b）可以推断车辆在x-z平面周围呈现对称性y-z平面。 因此，发展所有四个臂的方程是相同的参考框架已经充分转变。 为了这原因，这里只有方程式方程3将被开发出来，然后是等式关于剩下的武器可以获得适当的框架改变。 第3手将被转介在这里，作为标准手臂或手臂3无差别地。

四，控制系统设计

车辆本质上是开环不稳定的，所以必须设计一个控制系统稳定下来。第一控制系统的目标那是为这辆车而设计的呢稳定性增强控制系统（SCAS）为了态度。 控制系统的设计被认为是一种简单的方式调整，高效地实现，并使其实现利用了这个过度的现实系统。 所选择的架构是类似PD的每个轴的循环和一个控制分配器，如图所示在图5中。因此，控制分配器的设计是找到重量，W，使他们给一个满意的 - 不同效果器的混合。 调整后权重，在图6中的频率响应在常规四旋转机的俯仰时刻，只有电机差动驱动，与分配器一起使用新的启动套件设计。 从这个波特图，可以看出新的执行器套件带来了一个顺序带宽大幅提升。 在表一总结了所有性能参数并比较。 很明显，与...的反应新套件比差动推力更快。在一步响应中，显而易见的改善是在上升的时间，这是相当于一半电机差动推力。 定居时间，同样，经历了将近20％的改善相对于电机差动推力。B.控制器调谐设计的控制法是一个比例 - 衍生，PD，每个轴独立的循环，这些读物发出了要求扭矩到控制分配器。调整控制器收益的方法是混合的基于模型的调试和测试与真实的车辆在钻机上。为每个产生了简化的SISO模型轴的结构如图7所示获得了该模型的传递函数其频域特性可以分析。因此，通过可视化频率回应，信息量化的质量参数和清晰的趋势图，绩效指标和稳定前沿获得。对于增益调整，在这项研究中。实质上，程序是找到获得理想特征的收益频域，然后进行测试真正的车辆在钻机上看到它的表现。因此，通过测试车辆的收益，真正的传感器测量，处理和通讯阳离子延迟和充分的动力学被采取也考虑到。这样量的实验减少了范围的候选人获得的胜利给令人满意的人对分析模型的期待等等重要的是因为他们是真实的测试车辆，可以做出更实际的决定控制器是否安全飞行。轻松操纵收益，看看直接的结果，图形界面是在数学中构造了两个滑块，一个用于K P和K D之一。屏幕截图显示在图8（b）中。这个设施很简单测试不同增益集的性能，因此，从而更深入地了解效果和回应趋势获得变化为了测试车上的控制器被连接到球形接头，如图所示8（a）。这个设置允许3个角度运动，卷，间距和偏向只有自由和约束车辆的平移运动。在那里它提供了不同的效果的图片在真正的车上增加组合与真实的硬件。最相关的不便之处设置是球之间存在偏移和车辆的重心。这发挥一个倒立摆的不稳定时刻机动车。因此，使车辆更加不稳定比飞行时。一旦控制得到调整并令人满意表现已经实现，第一次飞行试图车辆起飞，见图9，徘徊约一分钟然后降落。 Rel-记录了有趣的飞行变量并在图10中示出。对于每个轴，所示的变量是指定的角度，实际角度，角速度和总数由控制法产生的时刻。进一步评估控制器的性能，节气门历史也被监控，从 - 50％至50％，-50％表示零油门和50％意思是全油门。因此，它是打算的只是验证车辆的大小和控制系统的稳定性。因此，没有从中提取定量结论。进一步的飞行测试应该是量化的基于系统测试进行比较分析相关变量为了进一步验证仿真模型和改进控制系统 - 温度但是，从中可以得出结论车辆稳定，能够保持其态度，它的所有系统都按照预期的方式执行大量的控制权。分析与讨论为了分析性能开发系统，其性能进行比较同一辆车的响应，启动。容错不正式表现出来，但它已经表现出来了两个转子关闭的实验模拟故障。A.绩效分析这个项目的目的是开发一个无创的，因此，逻辑步骤是以比较其等效的传统致动车辆。因此，投球/滚动的模型相同的四旋动力学的动力学是开发了，但这次是G Acuators的功能相当于差分推力动力学，即，G电机。为了使系统相当，这种传统的四旋转器的控制器是调整，使其主导极点放在同一个位置陀螺仪的位置车辆的速度较高新的策略，估计。但是，这不是全部的潜力的这个概念。可以显示更高存在提高增益的增益设计一个数量级的控制带宽。然而，这种高增益设计是不可行的因为伺服电机的限制偏转饱和度。初步估计有显示出重新设计的转子增加了它惯性可以解决这个问题，因为如果转子惯性增加，需要较小的偏转以产生相同的扭矩。但是，这样做意味着整车重量开销占总重量的10％。这仍然是开放的未来工作区域和惯性和空气动力学设计应仔细查看如果应该开发一个更先进的原型，因为，如果证明成功，它可以产生一个演出的数量级飞跃。B.容错。这个执行器套件也意味着增加系统容错增加单个执行器故障的数量不会产生系统的完全不稳定。为了探索这些特征，车辆进行了测试反对双臂失败事件。一个新的控制分配器是通过调零列来设计的对应于那些执行器。然后，在球上联合钻机车辆被测试添加扰动 - 检查其稳定性。这些的一个序列图11中显示了车辆的测试悬停在钻机中，然后关闭两个转子并产生一些扰动来检查它性能。当然，这不是一个正式的证明该策略可以产生的所有能力，而是一个快速的示范，这方面可以在未来的工作中成为探索富有成效的地区。

五，结论多转子的新动作策略

被设计。 与传统的致动器相比，在四旋转器中，即基于变化螺旋桨转速，有证据表明了新的动作策略的潜力增加执行器套件的速度和性能。执行器已经显示了一个数量级以目前的设计提升速度。此外，新策略也显示出来容许致动器故障

参考文献

[1] O. Garcia A. Sanchez，J. Escare〜no和R. Lozano。 Au-

一个非循环的旋转器uv的建模盘旋：建模，

控制和实施。第十七届世界议事录

国会自动控制联合会。

韩国首尔，2008年7月。

[2] Yazan Al-Rihani。双轴倾斜旋翼航空器的开发

uav：设计，原型和控制。理学硕士，克兰菲尔德

大学，2012年。

[3] Yazan Al-Rihani，Pau Segui Gasco，Hyo-Sang Shin和

萨维瓦斯山一种新颖的双重建模与模拟

轴倾斜四旋转在AIAA建模与仿真中

技术会议，2013（提交）。

[4] Mark Cutler，Nazim-Kemal Ure，Bernard Michini和

乔纳森怎么样固定和可变间距Actu-

敏捷四轮车的前身。美国航空航天研究所

和宇航员，2013/01/14 2011。

[5] Pau Segu

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