飞行器控制系统学位论文

浅谈多旋翼无人机任务系统的优秀论文

前言： 随着无人机产品的不断增加，市场之间的竞争力，也逐渐的提升，对此本项目研究出了更适合于工业控制、自动化装备等领域产品的多旋翼无人机，产品不仅定位合理，同时与其他产品存在一定的差异，该任务系统，是指先进智能装备数据链的无人多旋翼任务，存在较高的能量利用效率、载荷运输性能，是其它无人机产品，在技术方面不能相比的;制定合理的市场规划，会给企业带来一定的经济效益。

1 多旋翼无人机定义概述

我们常称无人飞行载具，为无人飞机系统，主要是利用无线电智能遥控设备，以及自带的控制程序装置，对于不载人的飞机进行操控。其中广义的无人机，包括狭义无人机以及航模。

多旋翼飞行器，主要由动力系统、主体、控制系统组成，动力系统包括电机、动力、电子调速器、桨;主体部分包括机架、脚架、云台;控制系统包括由遥控接收器、遥控组成的手动控制;地面站，以及由主控、GPS、IMU、电子陀螺、LED显示屏组成的飞行控制器。其中四旋翼，是一种4输入6输出的欠驱动系统;通过PID、，鲁棒、模糊、非线性、自适应神经网络控制。近年来，对于系统的控制功能的研究趋势，为大荷载、自主飞行、智能传感器技术、自主控制技术、多机编队协同控制技术、微小型化等方向。其中一些关键技术为，数学模型的建立、能源供给系统、飞行控制算法、自主导航智能飞行。

2 控制系统改进发展阶段

多旋翼无人飞行器的控制系统，最初是由惯性导航系统，借助了微机电系统技术，形成了EMES惯性导航系统;经过对于EMES去噪声的研究，有效的降低了其传感器数据噪音的问题，最后经过等速度单片机、非线性系统结构的研究、应用，最终在2005年，制作出了性能相对稳定的多旋翼无人机自动控制飞行器。对其飞行器的评价，可从安全性、负载、灵活性、维护、扩展性、稳定性几方面要素进行分析。具有体积小、重量轻、噪音小、隐蔽性强、多空间平台使用、垂直起降，以及飞行高度不高、机动强、执行任务能力强的特点;在结构方面，不仅安全性高、易于拆卸维护、螺旋桨小、成本低、灵活控制的特点。

3 技术原理

3.1系统组成

无人多旋翼任务系统，总体技术方案框图如图1所示;如图所示，无人多旋翼任务系统，由无人机、地面工作站构成。无人机，由多旋翼无人机、任务载荷组成;地面工作站，由数据链通信单元、工业控制电脑、飞行控制摇杆等组成。

3.2系统技术原理

3.2.1多旋翼无人机，通过对于螺旋桨微调的推力，实现稳定的飞行姿态控制、维持。经过上述，对于多旋翼无人机、常规直升机、固定翼飞机的对比，可以明显的看出，多旋翼无人机，在任务飞行方面，具有多能量的优势，从而更好的执行完成飞行任务，改善了飞行姿态维持，消耗大量能量的缺陷，从而更好的保证了其能量利用率，直接产生续航时间、载荷运输性能的提升;在结构方面，做了大量的简化，省去了传动机构，使其运行噪音、故障概率、维护成本大大的降低。

3.2.2无人机，与地面工作站之间的通信，通过设备数据链实现连接，起到通信中介的作用，同好也是无人机、地面工作站之间，实现地空信息交换的重要桥梁环节。以往无人机，对于地空信息的转换连接，只是普通的点对点通信，收到信号传输距离的影响，性能发挥受到严重的影响，只能实现一些简单遥控数据信号的传输。

但是本项目，对于无人多旋翼任务系统的研究，是通过数据链协议MAVLink的研究后，将其合理的嵌入到控制核心、地面数据链的ARM平台中，有效的改善了以往低空信息传输环节存在的问题，将其遥测、遥信、遥控、遥调、遥视这五遥很好的进行了统一，保证了通信之间的无障碍，从根本上解决了无人机和地面工作站的数据通信问题。其中涉及到的.五遥;其中遥测，是指对于远方的电压、电流、功率、压力、温度等模拟量进行测量;其中遥信，是指对于远方的电气开关、设备，以及机械设备的工作、运行等状态进行监视;遥控，是指对于远方电气设备、电气机械化装置工作状态的控制、保护;遥调，是指对于远方所控设备的工作参数、标准流程等进行设定、调整;遥视，是指对于远方设备的安全运行状态的监视、记录。

3.2.3传统的无人机，在飞行时需要通过人工对于遥控器的操作，对其飞行姿态进行的控制，体现出其自动程序的不完善，功能单调等缺陷。但是本项目对于无人机的研究，在地面工作站，通过飞行任务规划软件的配套，有效的改善了以往功能单一的缺点，直接增加了其功能性。其中飞行任务规划软件，具备GoogleMap高速API接口，实现对于无人机飞行航线，在三维地图上的简易规划，同时也能对其航线进行启动，使其实现自动巡航、执行飞行任务、返航等操作。

4 技术关键点及创新点

4.1技术关键点：

4.1.1地空信息的的数据通信。

先进智能装备数据链协议MAVLink的应用，能够对其所有数据进行有效的整合，并全部归纳在数据链路中，整合五遥操作，有效的降低了多种通信制式、通信模块存在等方面的问题，提高了通信效率，保证了通讯功能得以有效发挥。

4.1.2解决飞行姿态操控问题

嵌入式操作系统，在ARM处理器平台上的应用，加上陀螺仪等传感器、卡尔曼滤波等先进算法，从而更好的保证了控制系统的功能增加，除此之外，不仅实现了无人操作飞行，在飞行操纵方面，也有效的降低了能耗，增加了能量利用率。

4.1.3在工业控制领域应用的扩展

本项目以同一载具+多种载荷的建设、研究思路，针对于型号相同的多旋翼飞行器，设计一样的数据、电气、机械接口的任务载荷，实现快速更换载荷，使其飞行任务之间，能够良好、稳定的切换、衔接，保证该系统的实用性，同时也减少了任务执行的成本。

4.1.4增强地面工作站功能

通过C/S架构、C#语言、.net平台、三维GoogleMap、SQL数据库，以及地面任务规划软件、分析数据分析软件，从而更好的增强地面工作站的功能，以及自动化、智能化的程度,更好的为用户操作，带来更多的便利。

4.2项目的技术创新性

4.2.1在无人机、地面站，在植入数据链MAVLink的同时，加强整体系统功能的改进，有效的实现了五遥的综合统一。

4.2.2卡尔曼滤波、四元数算法，加上嵌入式ARM平台，对其飞行姿态实现有效控制。

4.2.3同一载具+多种载荷思路的研究，实现了无人机，对任务执行模式的有效转换。

4.2.4同时地面任务规划软件、分析数据分析软件的应用，提高了系统的控制功能，以及系统智能化程度。

5 总结

综上所述，通过对于无人多旋翼任务系统的分析，发现我国针对于此方面的研究，仍存在很多不完善的地方，该项目通过C/S架构、C#语言、先进智能装备数据链、分析数据分析软件等，照比以往的无人机飞行器，在系统功能改进方面，实现了遥测、遥信、遥控、遥调、遥视的统一;在任务执行模式方面，实现了灵活转换;在飞行姿态方面，实现了智能操控;是在已有多旋翼飞控技术的基础上，有效的规避了其以往的缺陷，同时自主飞行控制软件编程，这种飞控任务的提供，有效的实现了飞行中，自主导航智能飞行。

一、学科概况飞行器包括飞机、直升机、飞艇与气球、导弹、地效飞行器、卫星、宇宙飞船、弹道导弹与运载火箭、空间站、深空探测器、航天飞机等。飞行器设计是研究飞行器总体设计、飞行器结构设计、飞行力学与控制的一门综合性很强的学科。它是航空宇航科学与技术学科的重要组成部分和主干学科之一，其发展和水平对航空宇航技术的进步具有十分重要的作用，并对相邻学科和相关高新技术的发展，以及相关工业部门与国防的现代化也有重要影响。二、培养目标1．博士学位应具有现代飞行器设计方面坚实宽广的基础理论和系统深入的专门知识，深入地了解现代飞行器设计发展状况、发展方向以及研究前沿，并能熟练地掌握运用计算机和先进的实验及测试技术解决本学科中的理论与工程问题；至少掌握一门外国语，能熟练地阅读本专业的外文资料，具有一定的写作能力和进行国际学术交流的能力；具有独立从事科学研究的能力，研究中有所创新；有严谨求实的科学态度和作风；能胜任高等院校、设计与科研院所和生产使用部门的教学、科研、技术开发和管理工作。2．硕士学位应具有坚实的现代飞行器设计方面的基础理论和系统的专门知识，了解本学科研究现状、发展趋势及国内外研究前沿，能熟练地掌握计算机和实验测试技术，初步具有独立从事与现代飞行器设计相关的科学研究和工程设计的能力；较为熟练地掌握一门外国语，能阅读本专业的外文资料；有严谨求实的科学态度和作风；可在设计与科研院所、高等院校、生产和使用部门从事本专业或相邻专业的科研、教学、工程技术和管理工作。三、业务范围1．学科研究范围（1）飞行器总体设计：飞行器设计理论与方法，飞行器总体综合设计，飞行器先进气动布局研究，飞行器制导与控制系统设计，作战效能分析，飞行器设计系统工程与可靠性工程，飞行器设计井行工程，飞行器隐身设计。（2）飞行器结构设计：飞行器结构综合设计，优化理论与方法，结构与机构可靠性设计，动力学与控制，复合材料结构分析与设计，结构耐久性与损伤容限设计，自适应结构的原理及应用。（3）飞行力学与控制：飞行器飞行动力学与控制，飞行器控制、制导与仿真，空间飞行器的姿态动力学与控制，人机系统和飞行品质，气动弹性力学，飞行管理与空中交通管制。2．课程设置（1）博士学位现代数学基础，动态离散事件系统，飞行器总体综合设计理论与方法，空间任务分析与设计，结构系统优化理论与设计方法，结构耐久性与损伤容限设计，结构可靠性理论与设计方法，高等飞行动力学，航天器轨道动力学与姿态控制，飞行器控制、制导与仿真，现代控制理论，现代科学与学科发展前沿。（2）硕士学位矩阵论，数值分析，数学规划，数理统计，应用泛函分析，数理方程，优化理论与设计，高等空气动力学，飞行动力学与飞行控制，气动弹性与非定常气动力学，飞行品质与人机系统动力学，弹性力学，结构动力学，计算力学，断裂力学及其应用，结构有限元分析与程序设计，飞行器结构疲劳寿命，可靠性理论基础，复合材料结构分析与设计，直升机动力学，飞行器CAD与仿真技术，飞行器隐身技术基础，导弹制导原理，航天器温度控制技术。四、主要相关学科力学，材料学，控制理论与控制工程，计算机应用技术，导航制导与控制，人机与环境工程，航空宇航推进理论与工程，航空宇航制造工程，管理科学与工程，交通运输工程等。 一、学科概况航空宇航推进理论与工程学科包括航空发动机和火箭发动机两个学科方向。本学科为设计、研制各种航空推进系统、火箭推进系统以及组合推进系统，培养高层次技术和管理人才。本学科是航空宇航科学与技术学科的重要组成部分和主干学科之一。国内外均把航空宇航推进技术列为国防科技发展的关键技术，其发展和水平对航空宇航技术的进步具有十分重要的作用；并对船舶、能源、环境、交通等国民经济相关领域的发展也有重要影响。二、培养目标1．博士学位应具有航空宇航推进理论与工程学科坚实宽广的基础理论和系统深入的专门知识，深入了解学科的发展现状、趋势及研究前沿，并能熟练地应用计算机和现代实验及测试技术解决本学科中的理论与工程问题；至少掌握一门外国语，能熟练地阅读本专业的外文资料，具有一定的写作能力和进行国际学术交流的能力；具有独立从事科学研究的能力；有严谨求实的科学态度和作风；在本学科科学研究或专业技术上有创新或获得重要成果；能胜任高等学校、设计与科研机构和生产使用部门的教学、科研、技术开发和管理工作。2．硕士学位应具有坚实的航空宇航推进理论与工程学科的基础理论和系统的专门知识，了解学科的发展现状、趋势及研究前沿；具有一定的独立从事本学科或相关学科领域的科研或专门技术工作的能力；较为熟练地掌握一门外国语，能阅读本令业的外文资料；有严谨求实的科学态度和作风；能在高等院校、设计、研究。生产和使用部门从事教学、科研、技术开发和管理工作。三、业务范围1．学科研究范围（1）发动机总体设计和计算机辅助设计：推进理论和新推进方案；推进系统的一体化设计和并行工程设计；总体性能参数优化和结构优化设计、计算机辅助设计；发动机工作过程仿真；推力矢量控制；推进系统使用性能。（2）发动机内流场及气动热力学：发动机内流场计算及实验研究；叶轮机气动热力学和气动弹性力学；叶轮机非定常流动理论、实验及应用；进排气系统气动热力学。（3）燃烧学：燃料喷雾、掺混和燃烧；燃烧过程的数值模拟与实验研究；燃气成份及其控制；固体推进剂燃烧。（4）传热与传质学：传热、传质和热防护；传热、传质的数值模拟和实验研究。（5）强度、振动和可靠性：高温结构力学；发动机振动和转子动力学；发动机的寿命和可靠性。（6）控制、测试、状态监测与故障诊断：飞行/推进系统一体化控制；推进系统的建模、控制与仿真；推进系统的现代测试技术；推进系统的状态监测与故障诊断。2．课程设置（1）博士学位现代数学基础，现代科学与学科发展前沿，高等燃气轮机气动热力学，湍流与分离流，多相流体动力学，燃烧理论，断裂力学和损伤力学，结构系统动力特性分析，推进系统一体化设计，推进控制系统建模与仿真，飞行/推进系统一体化控制。（2）硕士学位矩阵论，数值分析，数理方程，数理统计与随机过程，应用泛函分析，高等气体动力学，可靠性工程，计算流体力学，粘性流体力学，两相流体动力学，有限元法，断裂力学，机械振动，传热传质学，燃烧理论基础与燃烧诊断，计算燃烧学，发动机特性，现代推进系统控制，结构优化设计，参数估计与系统辩识，现代数字信号处理基础，发动机状态监测与故障诊断。四、主要相关学科飞行器设计，航空宇航器制造工程，人机环境与工程，流体机械及工程，工程热物理，流体力学，固体力学，控制理论与控制工程，管理科学与工程，系统工程等。 一、学科概况航空宇航器制造工程是我国首批具有博士和硕士学位授予权的学科之一，旨在培养航空宇航器制造及相关专业领域的高级工程技术及管理人才。它是航空宇航科学与技术的主干学科，是一门综合性很强的学科。由于飞行器本身的高性能、高要求，决定了它必须采用先进的制造技术，因此该学科本身既是航空航天这一高科技的重要组成部分，同时它又集中了许多当代最杰出的工程技术成就，是研究、开发、推广与应用高新技术最活跃、最有生气的领域之一。所以该学科不仅对发展航空宇航科学与技术、实现航空航天工业的现代化具有必不可少的作用，而且对于促进相邻学科和相关高新技术的发展，以及相关工业部门（如汽车、船舶、机械、轻工等）的现代化，也具有重要的作用。二、培养目标1．博士学位应具有现代航空航天器制造工程方面坚实而宽广的基础理论和系统深入的专门知识，深入了解现代飞行器制造技术的现状、发展趋势和研究前沿，并能熟练地应用计算机信息技术和先进的实验手段，从事飞行器制造及相关领域的有创新性的研究开发工作；至少掌握一门外国语，能熟练地阅读本专业的外文资料，具有一定的写作能力和进行国际学术交流的能力；具有独立从事科研工作的能力和严谨的科学态度和作风；能胜任高等学校、科研院所和生产使用部门的本专业或相邻专业的教学、科研和技术开发与管理工作。2．硕士学位应具有现代航空航天器制造工程方面坚实的基础理论和系统的专门知识，了解现代飞行器制造技术的现状和发展趋势，并能应用计算机信息技术和先进的实验手段，从事飞行器制造及相关领域的研究开发工作；较为熟练地掌握一门外国语，能阅读本专业的外文资料；具有一定的科研工作能力和严谨的科学态度与作风；能从事本专业或相邻专业叼教学。科研、工程实施或技术管理工作。三、业务范围1．学科研究范围（1）产品零件的先进成形技术，板料精密塑性成形，超塑性成形与扩散连接，成形过程的计算机模拟仿真与优化技术，材料成形性能研究，模具技术；（2）新材料、新结构的制造技术，先进装配与连接技术，制造过程质量控制；（3）产品的三维数字化定义、数字化预装配、工程分折、数控加工、产品数据管理，即CAD/CAE/CAM/PDM，其进一步发展是产品全局信息建模，无纸设计，并行工程，制造资源管理，虚拟制造技术，计算机支持协同工作（CSCW）。2．课程设置（1）博士学位现代科学与学科发展前沿，现代数学基础，CAD/CAM的理论与技术基础，塑性成形理论进展，板料成形模拟理论与技术，金属物理，现代飞行器制造技术与系统，现代制造工程理论与技术，并行工程及其关键技术，面向对象技术与方法学。（2）硕士学位矩阵论，数值分析，数理统计，弹性理论基础，金属塑性成形力学，金属塑性变形的物理基础，弹塑性稳定理论，弹塑性有限元法及应用，计算机辅助塑性成形，超塑性成形及扩散连接，飞行器结构胶接技术，现代飞行器制造技术，软件工程基础，软件开发技术，计算机辅助几何设计，计算机辅助制造技术，计算机图形学，微机接口技术，数据结构，计算机网络及数据库基础，计算机仿真技术，模具CAD/CAM，质量控制。四、主要相关学科飞行器设计，航空宇航推迸理论与工程，人机与环境工程；机械制造及自动化，机械电子工程，机械设计及理论，车辆工程；计算机科学技术，计算数学；固体力学，工程力学；材料学，材料加工工程；交通运输工程。 一、学科概况人机与环境工程是研究航空航天人机工程、飞行器环境控制技术和航空宇航生命保障技术的综合性学科，是航空宇航科学与技术的重要组成部分，是航空宇航工程的主干学科之一。在现代航空航天活动中，人（驾驶员）起着不可替代的作用。如何保证人的安全、舒适和高效是航空宇航科学与技术的关键问题之一，围绕解决该问题而产生了人机与环境工程这一新兴交叉学科，其研究内容包括人机工程，飞行器环境控制技术，航空航天环境模拟技术，航空航天生命保障技术和空调制冷技术，以及航海器和交通运输车辆中的人机工程与环境控制技术。学科主要培养从事航空航天环境模拟与控制及生命保障系统设计与研究的高级工程技术人才。二、培养目标1．博士学位应具有坚实宽广的人机与环境系统工程学的基础理论和系统深入的专门知识，深入了解现代人机与环境系统工程的学科发展方向，能对人机与环境系统工程的基本问题进行有创新性的研究，具备主持和实施人机与环境系统工程中的型号工程的能力，能熟练地使用计算机和先进的测试技术进行人机与环境系统的分析、模拟与仿真研究；至少掌握一门外国语，能熟练地阅读本专业的外文资料，具有一定的写作能力和进行国际学术交流的能力；应具有独立从事科学研究的能力，有严谨求实的科学态度和锐意创新的开拓精神；能胜任高等院校、科研院所和生产使用部门的教学、科研、技术开发和管理工作。2．硕士学位应具有坚实的人机与环境系统工程学的基础理论和系统的专门知识，了解现代人机与环境系统工程的研究现状和学术发展动向，能熟练地使用计算机进行人机与环境系统的模拟与仿真研究，掌握人机与环境系统的分析技能、设计方法和测试技术，具备较强的进行专项技术工作和解决工程实际问题的能力；较为熟练地掌握一门外国语，能阅读本专业外文资料；毕业后可以从事教学、科研和技术开发和管理工作。三、业务范围1．学科研究范围（1）人机与环境系统工程：人体测量学，人机工效学，环境人机工程，人机与环境系统的计算机模拟与仿真。（2）环境控制工程：飞行器环境控制技术，环境模拟技术，航天器热控制技术，汽液两相流动与传热，飞机防冰系统，电子设备冷却技术，航海器和车辆环境控制技术。（3）生命保障技术：个体防护装备，弹射救生技术，航天服系统，航天生命保障系统。（4）低温制冷技术：空气调节技术，新型制冷技术，生物体冷冻技术，太阳能利用。2．课程设置（1）博士学位现代数学基础，现代科学和学科发展前沿，人机环境系统工程的生物物理学基础，人机环境系统工程的计算机仿真，航空航天人机与环境工程。（2）硕士学位数值分折，人机环境系统工程导论，数理方程，高等工程热力学，矩阵论，传热传质学，优化理论，计算传热学，常微分方程，汽液两相流动与传热，概率论与数理统计，热力系统分析与优化，应用泛函分析，航天器热环境控制技术，程序设计基础，新兴空调制冷技术，计算机图形学，个体防护与安全救生技术。四、主要相关学科飞行器设计，航空宇航推进理论与工程，航空宇航器制造工程，航空航天与航海医学，工程热物理，制冷及低温工程，流体机械工程，控制理论与控制工程，交通运输工程。 航空发动机学科是我国航空发动机高级专业人才培养和科学研究的重要基地之一，现有博士生导师8名，教授21名，副教授31名。6个独具特色的研究方向是：推进系统内流气动力学，叶轮气动力学，发动机结构、强度与振动，航空发动机控制，燃烧、传热，隐身技术。1986年以来，获得国家、省部级科技奖80余项，国防科工委光华科技基金奖5项，出版教材21部，发表论文890多篇。《发动机设计强度试验手册》获国家科技进步二等奖。进气道/发动机相容性研究，进气道隐身技术研究，叶轮机三维流场数值计算等研究处于国际先进水平。出色地完成了某型飞机的关键部件的研制，受到空军的嘉奖，获得部级科技进步一等奖。发动机进气畸变研究成功地应用于多种机型的进气道设计，受到用户好评。