王宏福，韓 晶

(中北大學， 太原 030051)

【航空和航海工程】

模塊化無人機組控制策略研究

王宏福，韓 晶

(中北大學， 太原 030051)

以兩架模塊旋翼機對接后為研究對象，提出其控制策略并進行了動力學方程和傳遞函數(shù)計算，建立了研究對象的SimMechanics模型、角速度與力的轉(zhuǎn)換模型以及控制模型。對這三個模型封裝連接，聯(lián)合仿真，實現(xiàn)對高度的控制。

模塊化；四旋翼；對接；運動學仿真

當前無人機得到了飛速的發(fā)展，利用無人機從事的工作也越來越多。由于工作難度系數(shù)的增加，工作半徑的擴大，一架無人機已經(jīng)很難滿足要求了，通常需要多架無人機協(xié)同完成一項任務。目前關于無人機項目的研究關于路徑規(guī)劃的居多，模塊化無人機組對接前后的控制研究并不多見，本文著重對兩架模塊旋翼機對接后的模型進行了動力學分析，得出了可靠的控制策略，并進行了對高度控制的仿真實驗。對接方式如圖1所示。

1 兩架模塊旋翼機的控制策略

每個分立的無人機都有一個IMU模塊，用來檢測本機的飛行姿態(tài)，在分離狀態(tài)下，有一個主機和一個從機，每個飛機被各自的遙控控制，當要進行組合作業(yè)時，兩無人機在空中進行組合鎖死，其控制框圖如圖2。這時鎖死機構(gòu)會給兩個無人機一個組合完成的信號，這時無人機的控制策略會更換成合體后的控制策略。

圖1 模塊化無人機組的對接方式

組合后的無人機的控制策略跟單個無人機其實是類似的，區(qū)別在于，單個無人機的控制是由本機上的嵌入式系統(tǒng)實現(xiàn)的，通過一個嵌入式系統(tǒng)控制一架無人機，而組合后的控制，主機和從機的姿態(tài)解算是分別由主機和從機上的嵌入式系統(tǒng)實現(xiàn)的，但是兩個嵌入式系統(tǒng)采用同一套控制策略分別控制各自的無人機，從而實現(xiàn)組合后無人機的自穩(wěn)。

圖2 兩個模塊旋翼機對接的控制框圖

猜想的控制策略如下：

上升：F1=F2=F3=F4=F5=F6=F7=F8

M1=M3=M5=M7=-M2=-M4=-M6=-M8

俯仰：F1=F2=F5=F6≠F3=F4=F7=F8

M1=M5=-M2=-M6≠M3=M7=-M4=-M8

偏航：F2=F4=F6=F8≠F1=F3=F5=F7

M2=M4=M6=M8≠-M1=-M3=-M5=-M7

滾轉(zhuǎn)：F1=F2=F3=F4≠F5=F6=F7=F8

M1=-M2=M3=-M4≠M5=-M6=M7=-M8

2 機體的動力學方程及傳遞函數(shù)

2.1 機體的動力學方程

地面坐標系如圖3。設滾轉(zhuǎn)角、俯仰角、偏航角分別為α、β、γ，圖4表示機體坐標系。坐標原點位于機體質(zhì)心。則可以求得變換矩陣R為：

作用在X軸上的轉(zhuǎn)矩MX:

-F1·L-F2·3L-F3·3L-F4·L+F5·3L+

F6·L+F7·L+F8·3L

作用在Y軸上的轉(zhuǎn)矩MY：

F1·L+F2·L-F3·L-F4·L+F5·L+

F6·L-F7·L-F8·L

作用在Z軸上的轉(zhuǎn)矩MZ：

MZ=M1-M2+M3-M4+M5-M6+M7-M8

則根據(jù)牛頓-歐拉方程得到：

根據(jù)牛頓第二定律可得：

其中，Kx，Ky,Kz為空氣阻力系數(shù)，低速時忽略不計。

根據(jù)以上計算最終得到動力學方程為：

圖3 地面坐標系

圖4 兩架模塊機對接后的機體坐標系

2.2 準LPV設計方法求傳遞函數(shù)

2.3 參數(shù)計算

對接后旋翼機的總質(zhì)量m=2·m■，其中m■為一架模塊旋翼機的總質(zhì)量。

m■=mΔ+4×M

其中mΔ為機架質(zhì)量，M為單個電機的質(zhì)量。

其中L■為一架模塊旋翼機(正方形)的邊長。

lx=40×M·L2+4×(m■-4×M)·L2

ly=8×M·L2

lz=48×M·L2+8×(m■-4×M)·L2

通過給定電機質(zhì)量、機架質(zhì)量及邊長，結(jié)合以上計算方法，得到的參數(shù)見表1。

表1 計算得到的參數(shù)

整理以上所有計算結(jié)果，結(jié)論如下：系統(tǒng)輸入：

系統(tǒng)輸出：

系統(tǒng)傳遞函數(shù)G(S)：

3 兩個模塊旋翼機對接后的運動學仿真

3.1 模型的構(gòu)建

由于單個模塊旋翼機(如圖5)和兩個模塊旋翼機的對接(如圖6)復雜的三維模型在導出SimMechanics模型時容易出錯、卡死，所以必須對模型進行簡化。兩架旋翼機對接后的簡化solidworks三維模型如圖7。

圖5 單個模塊旋翼機

圖6 兩個模塊旋翼機的對接

圖7 整機的solidworks簡化模型

將SolidWorks模型導入成SimMechanics模型，在每一個鉸鏈處輸入轉(zhuǎn)矩T,則相應的輸出角速度為w。角速度輸出到下一模塊轉(zhuǎn)換成施加在鉸鏈上力之后，再施加到每一個螺旋槳上，其示意框圖如圖8所示。

圖8 電機與螺旋槳之間鉸鏈的輸入、輸出

則整機的模型如圖9。

圖9 整機的SimMechanics模型

角速度與力的轉(zhuǎn)換根據(jù)公式F=Kt·ω2，Kt代表升力系數(shù)，ω代表螺旋槳轉(zhuǎn)速。轉(zhuǎn)換模型如圖10所示。

圖10 角速度與力的轉(zhuǎn)換模塊

將以上兩個模型封裝連接，如圖11。

圖11 整機模型與轉(zhuǎn)換模型封裝連接

W1～W8對應模型上的電機的位置如圖12。

圖12 電機在整機上的相對位置及標號

運行過程如圖13。

圖13 整機的仿真運行過程

3.2 無控狀態(tài)下無人機組的飛行狀態(tài)

上升狀態(tài)(如圖14)，其中：

1，4，5，8號電機轉(zhuǎn)矩0.5

2，3，6，7號電機轉(zhuǎn)矩-0.5

圖14 整機的上升運動

滾轉(zhuǎn)狀態(tài)(如圖15),其中：

1，4號電機轉(zhuǎn)矩0.5

2，3號電機轉(zhuǎn)矩-0.5

5，8號電機轉(zhuǎn)矩0.4

6，7號電機轉(zhuǎn)矩-0.4

圖15 整機的滾轉(zhuǎn)運動

俯仰狀態(tài)(如圖16)，其中：

1，5號電機轉(zhuǎn)矩0.5

3，7號電機轉(zhuǎn)矩-0.5

4，8號電機轉(zhuǎn)矩0.4

2，6號電機轉(zhuǎn)矩-0.4

圖16 整機的俯仰運動

偏航狀態(tài)(如圖17)，其中：

1，4，5，8號電機轉(zhuǎn)矩0.5

2，3，6，7號電機轉(zhuǎn)矩-0.4

圖17 整機的偏航運動

說明電機如果按如上方法施加轉(zhuǎn)矩，則兩架模塊機對接后可以正常完成上升、滾轉(zhuǎn)、俯仰、偏航四種姿態(tài)。控制模型如圖18。4.3定高控制下無人機組的飛行狀態(tài)加上控制模型后，將整機模型的高度和沿機體坐標系沿x,y,z軸的加速度反饋出來便于控制，如圖19所示。將控制模型與整機模型和轉(zhuǎn)換模型封裝連接之后，系統(tǒng)模型如圖20。

圖18 對高度的控制模型

圖19 機體高度和加速度的信息反饋

圖20 系統(tǒng)的聯(lián)合仿真模型

此模型中以高度調(diào)整為例，圖21是運行過程中模型的懸停。

圖21 系統(tǒng)運行狀態(tài)

高度控制(在1.5 m高處懸停)響應曲線如圖22。

圖22 機體高度控制響應曲線

分析說明：大約前3秒的高度降低是因為模型中沒有“著地”模塊，模型是在空中開始仿真，由于電機剛開始施加轉(zhuǎn)矩時，螺旋槳的速度剛開始增加，其提供的升力不足以使飛行器懸停，所以在前幾秒鐘高度驟降，之后的響應曲線是正常的階躍響應曲線。

4 結(jié)論

模塊化無人機組控制策略研究為模塊化無人機組的設計成型提供了一定的理論基礎，按照如下控制策略，即：

上升：F1=F2=F3=F4=F5=F6=F7=F8

M1=M3=M5=M7=-M2=-M4=-M6=-M8

俯仰：F1=F2=F5=F6≠F3=F4=F7=F8

M1=M5=-M2=-M6≠M3=M7=-M4=-M8

偏航：F2=F4=F6=F8≠F1=F3=F5=F7

M2=M4=M6=M8≠-M1=-M3=-M5=-M7

滾轉(zhuǎn)：F1=F2=F3=F4≠F5=F6=F7=F8

M1=-M2=M3=-M4≠M5=-M6=M7=-M8

兩架模塊機對接后可以正常完成上升、滾轉(zhuǎn)、俯仰、偏航4種姿態(tài)。在高度控制下，可以順利完成懸停。模塊化無人機組對接過程的抗擾動控制、增加模塊化無人機的控制數(shù)量為進一步的研究方向。

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ResearchonControlStrategyofModularUnmannedAerialVehicle

WANG Hongfu，HAN Jin

(The North University of China, Taiyuan 030051, China)

After the docking of two modular rotorcraft, the control strategy was proposed and the dynamic equations and transfer functions were calculated. The SimMechanics model, the conversion model of angular velocity and force and the control model were established. After the three model packaging connection, co-simulation, had achieved a high degree of control pair.

modularization; four rotor; docking; kinematics simulation

2017-10-15；

2017-11-02

王宏福(1992—)，男，碩士，主要從事智能控制技術研究。

韓晶(1980—)，男，博士，副教授，主要從事智能控制技術研究。

10.11809/scbgxb2017.12.050

本文引用格式：王宏福，韓晶.模塊化無人機組控制策略研究[J].兵器裝備工程學報，2017(12):227-232.

formatWANG Hongfu，HAN Jin.Research on Control Strategy of Modular Unmanned Aerial Vehicle [J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2017(12):227-232.

TJ8;V1

A

2096-2304(2017)12-0227-06

(責任編輯楊繼森)