Aerial Robotics 课程专题 第一讲 四旋翼基础知识

写在前面:开设一个专题系列,针对宾夕法尼亚大学的机器人课程中的四旋翼部分,写一个读书笔记系列,涉及到四旋翼飞行器的力学原理、设计、控制、轨迹规划等,系统的总结相关的理论知识。限于笔者的水平有限,文中如有错误,望指正,谢谢!

第一讲 介绍

本讲主要是阐述了四旋翼相关的基础知识以及行业背景。


无人机的行业价值

目前主要应用于军事、民用和DIY领域。

2015年,在美国,每月销售量超过15000架;

预计到2020年,产业估值250亿美金;

能广泛应用于:农业、摄影、检测、建设施工、边境巡逻和电影制作等;

无人机的名称

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通常意义上来说,以上的几种名称,所指的是一个东西,常见的还是多旋翼系列。

什么是微型无人机?

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如图所示,左边的那一列就是本课程主要研究的微型飞行器。

无人机的类型

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一般分为固定翼、扑翼和旋翼。固定翼不能空中悬停。

旋翼还分为直升机、共轴多旋翼、多旋翼(四、六、八等)

为什么研究对象选择四旋翼?

机械结构简单,四个电机固定在一个刚体机架上。没有直升机的铰链设计,螺旋桨桨叶相对尺寸短又坚硬,这样在飞行器突然转向时,桨叶不会因为陀螺力矩而桨叶扑动。这样使得控制器的设计会简单很多(建模的时候,只考虑刚体的运动即可等)。

四旋翼飞行器如何控制其位置和姿态?

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答案是通过电机转速的差值。一般相邻的电机转向是不一样的,图中1、3逆时针旋转,2、4顺时针旋转。

比如滚转或俯仰运动(左右、前后)
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问题:
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如何控制yaw运动?

答案是通过对角线的电机转速差值,比如控制飞行器顺时针旋转,则2、4电机减速,1、3电机加速,即逆时针旋转的电机转速加大。

如何完成平移运动?

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平移运动与对应的姿态有关,比如飞行器要往右边飞行,会先产生一个滚转角度,控制飞行器往右加速,当快接近目标位置时,反向产生一个角度刹车,减速,控制飞行器平稳的停在目标位置。所以平移运动涉及到姿态角的变化(GPS定点模式飞行)。

问题:
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四旋翼飞行器有6个自由度(3个平移,3个旋转),则有多少种不同的方式来平移或旋转机器人?其中有多少个是独立的?
这个问题,笔者不太明白意思,笔者认为只有上升下降偏航是独立的。

实现自主飞行需要哪些关键部分?

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状态估计:能够估计出飞行器的位置、速度、姿态信息;

控制:能够根据目标位置,用状态估计出的数据作为控制反馈,计算出期望动作的电机指令;

构图:能够绘制所在环境的地图,如果不知道环境是怎么样的,就不能进行下一步的轨迹规划;

轨迹规划:在已知外界环境的情况下,规划出一条安全轨迹,从而能够避开障碍物飞行;

姿态估计

目的:获得真实的位置、速度、姿态信息。

手段(传感器):

  1. 运动捕捉系统:
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    价格昂贵,精度高,实验室设备。
    通过在飞行器上设置marker标记,然后通过运动捕捉相机去估计每个marker的位置,数据频率能够达到100-200Hz。

  2. GPS
    室外定位标配,数据相对不太精确,而且易受外界干扰,特别是高楼之间。室内情况无法使用

为了能够适用于室内或室外,不能用GPS,飞行器又比较小,很难挂载一些大型设备进行通信等,又希望飞行器具有快速性和灵活性。那该选择什么样的设备?
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如图所示,颜色加深度相机、激光测距仪等,这些传感器能够估计环境信息,并通过这些信息允许其定位自身位置。

SLAM实现原理

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假设有个机器人,图中蓝色标记,同时假定环境中有三个柱子,橙色标记。假设测量中离三个柱子的距离d1 d2 d3。同时,机器人上还有惯性测量单元,估计出一个周期的运动变化,delta x,到达新位置后,传感器又反馈了新的距离数据。问题是,对于机器人是否可能同时估计柱子的位置(坐标x,y)与位移delta x。答案是可以

这个问题就是即时定位与地图构建,简称SLAM。简单来说就是在尝试估计出自己的位置变化,同时描述柱子信息。

几种不同飞行器(不同的传感器组合)

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上图的飞行器,在室内自主定位(只有相机和IMU),需要配合标记。通过不同的标记组合,能够设置一些飞行动作或是导航,相当于运动捕捉相机的乞丐版….
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图中演示的是,飞行器相对于标记进行定位并悬停,它是估计出自身相对于标记的位置与速度从而达到目的。

行业应用

  1. 精准农业
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    比如图中所示,用飞行器对果园进行巡逻,获取每一颗植物和其果实的三维信息,中间的图用红外成像获得,右下方是用飞行器上的激光传感器和相机获得的三维信息。这些图能够告诉你基本的植物活力信息,让农民获得每一颗植物的生长模型,识别出哪一颗植物需要特别关注,决定给哪些植物浇水,什么时间浇,获得产量的估计。

  2. 建筑
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    获得建筑物的三维信息,监控工程进度,配置建筑资源。

简单来说,就是飞行器作为一个飞行平台,通过搭载不同的行业传感器就能广泛应用于各个行业中,从而提高生产效率。