《Unmanned Rotorcraft Systems》

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《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

《Unmanned Rotorcraft Systems》

《Unmanned Rotorcraft Systems》

《Unmanned Rotorcraft Systems》

《Unmanned Rotorcraft Systems》

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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