《Modelling and Control of Mini-Flying Machines》
《Modelling and Control of Mini-Flying Machines》微型飞行器的建模与控制
作者：
Pedro Castillo, PhD
Rogelio Lozano, PhD
Alejandro E. Dzul, PhD
出版社：Springer
出版时间：2005年
目录
1 Introduction and Historical Background . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.1 Definitions. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.2 Early Concepts of VTOL Aircraft . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.3 Configuration of the Rotorcraft. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
1.3.1 Conventional Main Rotor/Tail Rotor Configuration . . . . 12
1.3.2 Single Rotor Configuration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
1.3.3 Twin Rotor in Coaxial Configuration . . . . . . . . . . . . . . . . 13
1.3.4 Twin Rotor Side by Side . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
1.3.5 Multi-rotors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
1.4 New Configurations of UAVs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
2 The PVTOL Aircraft . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
2.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
2.2 System Description . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
2.3 Control Strategy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
2.3.1 Control of the Vertical Displacement . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
2.3.2 Control of the Roll Angle and the Horizontal
Displacement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
2.4 Real-time Experimental Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
2.4.1 Experiment using a Quad-Rotor Rotorcraft . . . . . . . . . . . 31
2.4.2 Experimental Platform Using Vision . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
2.5 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
3 The Quad-rotor Rotorcraft . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
3.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
3.2 Dynamic Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
3.2.1 Characteristics of the Quad-rotor Rotorcraft . . . . . . . . . . 41
3.2.2 System Description . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
3.3 Control Strategy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
3.3.1 Altitude and Yaw Control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
3.3.2 Roll Control (φ, y) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
xiv Contents
3.3.3 Pitch Control (θ, x) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
3.4 Experimental Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
3.4.1 Platform Description . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
3.4.2 Controller Parameter Tuning . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
3.4.3 Experiment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
3.5 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
4 Robust Prediction-based Control for Unstable Delay
Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
4.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
4.2 Problem Formulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
4.3 d-Step Ahead Prediction Scheme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
4.4 Prediction-based State Feedback Control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
4.5 Stability of the Closed-loop System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
4.6 Application to the Yaw Control of a Mini-helicopter . . . . . . . . . 72
4.6.1 Characteristics of MaRTE OS. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
4.6.2 Real-time Implementation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
4.6.3 Experimental Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
4.7 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
5 Modelling and Control of Mini-helicopters . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
5.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
5.2 Newton–Euler Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
5.2.1 Standard Helicopter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
5.2.2 Tandem Helicopter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
5.2.3 Coaxial Helicopter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
5.2.4 Adapted Dynamic Model for Control Design . . . . . . . . . . 94
5.3 Euler–Lagrange Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
5.4 Nonlinear Control Strategy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
5.5 Simulations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113
6 Helicopter in a Vertical Flying Stand . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121
6.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121
6.2 Dynamic Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123
6.3 Adaptive Altitude Robust Control Design . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126
6.4 Experimental Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130
6.4.1 Hardware . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130
6.4.2 Experiment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131
6.5 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132
7 Modelling and Control of a Tandem-Wing Tail-Sitter UAV 133
7.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133
7.2 Tail-Sitters: A Historical Perspective . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134
7.3 Applications for a Tail-Sitter UAV. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135
7.3.1 Defence Applications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136
Contents xv
7.3.2 Civilian Applications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136
7.4 The T-Wing: A Tandem-Wing Tail-Sitter UAV. . . . . . . . . . . . . . 137
7.5 Description of the T-Wing Vehicle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139
7.5.1 Typical Flight Path for the T-Wing Vehicle . . . . . . . . . . . 139
7.6 6-DOF Nonlinear Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141
7.6.1 Derivation of Rigid Body Equations of Motion . . . . . . . . 142
7.6.2 Orientation of the Aircraft . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146
7.6.3 Equations of Motion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150
7.7 Real-time Flight Simulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155
7.8 Hover Control Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 156
7.8.1 Vertical Flight Controllers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157
7.9 Flight of T-Wing Vehicle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162
7.10 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 164
8 Modelling and Control of Small Autonomous Airships . . . . . 165
8.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 165
8.2 Euler–Lagrange Modelling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167
8.2.1 Kinematics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167
8.2.2 Dynamics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 170
8.2.3 Propulsion. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 172
8.3 Stabilization Problem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 174
8.4 Simulation Results. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 179
8.5 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 182
8.6 Nomenclature . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 183
9 Sensors, Modems and Microcontrollers for UAVs . . . . . . . . . . 185
9.1 Polhemus Electromagnetic Sensor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 186
9.1.1 Components . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 186
9.2 Inertial Navigation System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 187
9.3 Accelerometers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 188
9.3.1 Accelerometer Principles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 189
9.3.2 Applicability of Accelerometers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 198
9.4 Inclinometers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 199
9.5 Altimeters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 199
9.6 Gyroscopes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 201
9.6.1 Types of Gyroscopes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 203
9.6.2 Uses of Gyroscopes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 209
9.7 Inertial Measurement Unit (IMU) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 212
9.8 Magnetic Compasses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 213
9.9 Global Positioning System (GPS). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 214
9.9.1 Elements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 216
9.10 Vision Sensors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 219
9.11 Ideal Sensor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 221
9.12 Modems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 221
9.12.1 Radio Modems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 223
xvi Contents
9.13 Microcontrollers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 224
9.13.1 Fabrication Techniques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 225
9.13.2 Applications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 226
9.13.3 Microcontroller Programming Languages . . . . . . . . . . . . . 228
9.14 Real-time Operating System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 229
9.14.1 Some Definitions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 230
A Model Coefficients . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 233
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 235
Index . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 249
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