《Unmanned Rotorcraft Systems》
《Unmanned Rotorcraft Systems》无人旋翼机系统
作者：
Guowei Cai
Ben M. Chen
Tong Heng Lee
Temasek Laboratories
National University of Singapore
出版社：Springer
出版时间：2011年
目录
1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.2 BriefHistoryofRotorcraft . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.3 Essential Hardware Components . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
1.3.1 RCRotorcraft . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
1.3.2 AvionicSystem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
1.3.3 Manual Backup . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
1.3.4 Ground Control Station . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
1.4 SoftwareDesignandIntegration . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
1.4.1 AvionicReal-TimeSoftwareSystem . . . . . . . . . . . . 11
1.4.2 Ground Control Station Software Structure . . . . . . . . . 13
1.5 Flight Dynamics Modeling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
1.5.1 First-Principles Approach . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
1.5.2 SystemandParameter Identification . . . . . . . . . . . . 15
1.6 FlightControlSystems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
1.7 ApplicationExamples . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
1.8 Preview of Each Chapter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
2 Coordinate Systems and Transformations . . . . . . . . . . . . . . . 23
2.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
2.2 CoordinateSystems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
2.2.1 Geodetic Coordinate System . . . . . . . . . . . . . . . . 24
2.2.2 Earth-CenteredEarth-FixedCoordinateSystem . . . . . . 25
2.2.3 Local North-East-Down Coordinate System . . . . . . . . 26
2.2.4 Vehicle-Carried North-East-Down Coordinate System . . . 27
2.2.5 BodyCoordinateSystem . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
2.3 CoordinateTransformations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
2.3.1 Fundamental Knowledge . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
2.3.2 CoordinateTransformations . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
3 Platform Design and Construction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
3.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
ix
x Contents
3.2 VirtualDesignEnvironmentSelection . . . . . . . . . . . . . . . 35
3.3 Hardware Components Selection . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
3.3.1 RC Helicopter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
3.3.2 FlightControlComputer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
3.3.3 Navigation Sensors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
3.3.4 Peripheral Sensors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
3.3.5 Fail-SafeServoController . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
3.3.6 Wireless Modem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
3.3.7 Batteries . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
3.3.8 VisionComputer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
3.3.9 Vision Sensor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
3.3.10 Frame Grabber . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
3.3.11 Servo Mechanism . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
3.3.12 Video Transmitter and Receiver . . . . . . . . . . . . . . . 46
3.3.13 Manual Control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
3.3.14 Ground Control Station . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
3.4 AvionicSystemDesignandIntegration . . . . . . . . . . . . . . . 47
3.4.1 Layout Design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
3.4.2 Anti-vibrationDesign . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
3.4.3 Power Supply Design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
3.4.4 ShieldingDesign . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
3.5 Performance Evaluation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
4 Software Design and Integration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
4.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
4.2 Onboard Software System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
4.2.1 FrameworkDesign . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
4.2.2 Task Management . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
4.2.3 ImplementationofAutomaticControl . . . . . . . . . . . . 66
4.2.4 Emergency Handling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
4.2.5 Vision Processing Software Module . . . . . . . . . . . . . 71
4.3 Ground Control Station Software . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
4.3.1 Framework of Ground Station Software Module . . . . . . 73
4.3.2 3DViewDevelopment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
4.4 SoftwareEvaluation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
5 Measurement Signal Enhancement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
5.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
5.2 Extended Kalman Filtering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
5.3 Dynamics Models of the GPS-Aided AHRS . . . . . . . . . . . . 86
5.3.1 AHRS Dynamics Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
5.3.2 INS Dynamics Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
5.4 Design of Extended Kalman Filters . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
5.4.1 EKF for AHRS with Accelerometer Measurement . . . . . 90
5.4.2 EKF for AHRS with Magnetometer Measurement . . . . . 91
5.4.3 EKFfor INS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92
5.5 Performance Evaluation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
Contents xi
6 Flight Dynamics Modeling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
6.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
6.2 Model Structure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98
6.2.1 Kinematics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98
6.2.2 Rigid-Body Dynamics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
6.2.3 Main Rotor Flapping Dynamics . . . . . . . . . . . . . . . 107
6.2.4 Yaw Rate Feedback Controller . . . . . . . . . . . . . . . 110
6.3 ParameterDetermination . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111
6.3.1 DirectMeasurement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111
6.3.2 Ground Tests . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112
6.3.3 Estimation Based on Wind-Tunnel Data . . . . . . . . . . 118
6.3.4 FlightTest . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119
6.3.5 FineTuning . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126
6.4 Model Validation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127
6.5 FlightEnvelopeDetermination . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128
7 Inner-Loop Flight Control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137
7.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137
7.2 H∞ Control Technique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138
7.3 Inner-Loop Control System Design . . . . . . . . . . . . . . . . . 144
7.3.1 Model Linearization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145
7.3.2 ProblemFormulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146
7.3.3 Selection of Design Specifications . . . . . . . . . . . . . 148
7.3.4 H∞ ControlLaw. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149
7.3.5 Performance Evaluation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151
8 Outer-Loop Flight Control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161
8.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161
8.2 Robust and Perfect Tracking Control . . . . . . . . . . . . . . . . 162
8.3 Outer-LoopControlSystemDesign . . . . . . . . . . . . . . . . . 166
8.4 Performance Evaluation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 172
9 Flight Simulation and Experiment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 179
9.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 179
9.2 Flight Scheduling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 180
9.2.1 Depart/Abort (Forward Flight) . . . . . . . . . . . . . . . 180
9.2.2 Hover . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 181
9.2.3 Depart/Abort (Backward Flight) . . . . . . . . . . . . . . . 181
9.2.4 HoveringTurn . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 182
9.2.5 Vertical Maneuver . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 182
9.2.6 Lateral Reposition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 183
9.2.7 Turn-to-Target . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 184
9.2.8 Slalom . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 184
9.2.9 Pirouette . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 185
9.2.10 MTE Concatenation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 186
9.3 Hardware-in-the-LoopSimulationSetup . . . . . . . . . . . . . . 186
9.4 SimulationandFlightTestResults . . . . . . . . . . . . . . . . . 201
xii Contents
10 Flight Formation of Multiple UAVs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 205
10.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 205
10.2 Leader-Follower Formation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 207
10.2.1 CoordinateSystems inFormationFlight . . . . . . . . . . 207
10.2.2 Kinematics Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 209
10.3 Collision Avoidance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 210
10.4 FlightTestResults . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 214
11 Vision-Based Target Following . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 223
11.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 223
11.2 CoordinateFramesUsedinVisionSystems . . . . . . . . . . . . . 224
11.3 CameraCalibration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 225
11.3.1 Camera Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 226
11.3.2 IntrinsicParameterEstimation . . . . . . . . . . . . . . . 227
11.3.3 Distortion Compensation . . . . . . . . . . . . . . . . . . 229
11.3.4 Simplified Camera Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . 230
11.4 Vision-Based Ground Target Following . . . . . . . . . . . . . . . 230
11.4.1 TargetDetection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 231
11.4.2 Image Tracking . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 236
11.4.3 TargetFollowingControl . . . . . . . . . . . . . . . . . . 244
11.5 Experimental Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 251
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 255
Index . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 263
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