四旋翼无人机机动控制算法的研究与设计

发布时间：2017-03-16 19:08

  本文关键词：四旋翼无人机机动控制算法的研究与设计，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：四旋翼无人机外形新颖、结构紧凑、具有良好的机动性能,加之其可靠性高、维护成本低等特点,使其在包括航拍,物流,农业等领域的应用日益广泛,同时也成为学术界研究的热点。四旋翼无人机飞行控制系统属于欠驱动,非线性的多输入多输出系统,采用合适的控制算法是保证四旋翼无人机良好性能的关键。首先,分析四旋翼无人机的结构组成以及飞行原理,建立了四旋翼无人机的数学模型,采用LPV(Linear Parameter Varying)法则将其数学模型线性化。得到的四旋翼线性化数学模型为具有低增益的一阶滞后时滞非自衡模型(FOLIPD)。针对在输入饱和条件下FOLIPD这一模型的控制问题,本文提出一种名叫蝎子算法的解决方案。为了将其应用于实际工程,通过标准化和工程化,得到工程蝎子算法,并运用描述函数法获得工程蝎子算法的稳定条件。利用遗传算法寻优,获得工程蝎子算法控制参数的最佳值。通过对算法最佳控制参数的回归分析,得到其有效地参数整定公式,并验证了其在四旋翼无人机系统中的控制效果。然后,针对四旋翼无人机数学模型非线性与欠驱动的特点,将四旋翼无人机的控制分解为姿态控制和位置控制,利用反步法控制四旋翼无人机的姿态,对四旋翼无人机的机动性能进行分析,并针对直线和螺旋线两种机动轨迹提出跟踪策略,分别利用PID算法和工程蝎子算法设计位置控制器,对机动跟踪效果进行仿真比较。最后,对四旋翼自主起降系统的总体控制方案进行初步搭建,并对无人机源代码进行分析与研究,实现无人机与地面站的无线通讯,为下一步的研究奠定了基础。
【关键词】：四旋翼无人机 FOLIPD模型 蝎子算法 机动控制
【学位授予单位】：北京理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：V249.1
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-10
• 第1章 绪论10-16
• 1.1 课题背景与研究意义10-11
• 1.2 国内外研究现状及发展趋势11-14
• 1.2.1 四旋翼无人机研究现状及发展趋势11-13
• 1.2.2 低增益时滞非自衡过程研究现状13-14
• 1.3 本文的主要研究内容及结构安排14-16
• 第2章 四旋翼无人机动力学模型16-24
• 2.1 引言16
• 2.2 四旋翼无人机工作原理16-17
• 2.3 四旋翼无人机数学建模17-21
• 2.4 动力学模型线性化21-23
• 2.5 本章小结23-24
• 第3章 蝎子算法的分析与设计24-45
• 3.1 引言24
• 3.2 蝎子算法的分析与设计24-31
• 3.2.1 FOLIPD模型介绍24-25
• 3.2.2 蝎子算法的分析与研究25-27
• 3.2.3 蝎子算法的仿真与对比27-31
• 3.3 蝎子算法稳定性分析31-34
• 3.4 工程蝎子算法的参数整定34-40
• 3.4.1 遗传算法参数寻优34-37
• 3.4.2 参数整定公式37-40
• 3.5 仿真分析与验证40-44
• 3.5.1 参数整定公式仿真验证40-41
• 3.5.2 四旋翼蝎子算法的设计与仿真41-44
• 3.6 本章小结44-45
• 第4章 四旋翼无人机机动跟踪算法研究45-59
• 4.1 引言45
• 4.2 四旋翼无人机姿态控制器的分析与设计45-49
• 4.3 四旋翼无人机机动策略的分析与设计49-52
• 4.3.1 四旋翼无人机机动性能分析49-50
• 4.3.2 直线机动模式50-51
• 4.3.3 螺旋线机动模式51-52
• 4.4 位置控制器的设计与仿真52-58
• 4.5 本章小结58-59
• 第5章 四旋翼无人机自主起降平台搭建59-68
• 5.1 引言59
• 5.2 四旋翼无人机特性及需求分析59-60
• 5.3 自主起降系统方案设计60-63
• 5.4 APM源代码架构分析63-65
• 5.5 上位机与四旋翼无人机的通讯实现65-67
• 5.6 本章小结67-68
• 总结与展望68-70
• 1 本文的主要研究内容与贡献68-69
• 2 需要进一步的研究工作69-70
• 参考文献70-74
• 附录74-75
• 攻读学位期间发表论文与研究成果清单75-76
• 致谢76

【相似文献】

中国期刊全文数据库 前10条

1 辛健成;美国海军无人机发展历程[J];机器人技术与应用;2000年05期

2 时兆峰;以色列组建专门的无人机管理部门[J];飞航导弹;2001年10期

3 徐文;俄罗斯的无人机系统——格兰特[J];飞航导弹;2003年07期

4 何一波;各国使用的主要轻型无人机[J];飞航导弹;2003年11期

5 马晓平;系统工程学在无人机研制中的应用[J];航空科学技术;2003年04期

6 柯边;“影子200”战术无人机[J];航天电子对抗;2003年06期

7 温羡峤,李英;从美国无人机的发展来看无人机在未来战争中的应用前景[J];现代防御技术;2003年05期

8 王永寿;日本无人机的研究开发现状与动向[J];飞航导弹;2003年08期

9 袁刚辉;徐志红;;不断壮大的俄罗斯无人机家族[J];现代兵器;2003年02期

10 徐文;俄罗斯无人机的发展现状[J];飞航导弹;2004年02期

中国重要会议论文全文数据库 前10条

1 王林;张庆杰;朱华勇;沈林成;;远程异地多无人机系统控制权切换技术研究[A];2009中国控制与决策会议论文集（3）[C];2009年

2 谭健美;张琚;闫娟;;信息无人机系统——无人机发展史上新的里程碑[A];第二届中国航空学会青年科技论坛文集[C];2006年

3 黄爱凤;邓克绪;;民用无人机发展现状及关键技术[A];第九届长三角科技论坛——航空航天科技创新与长三角经济转型发展分论坛论文集[C];2012年

4 刘长亮;;无人机发动机气道开度自适应机构的设计与实现[A];2009年中国智能自动化会议论文集（第三分册）[C];2009年

5 丁霖;;无人机系统人机交互界面浅析[A];探索 创新 交流（第4集）——第四届中国航空学会青年科技论坛文集[C];2010年

6 刘泽坤;吕继淮;;舰载无人机系统的环境适应性[A];人—机—环境系统工程创立20周年纪念大会暨第五届全国人—机—环境系统工程学术会议论文集[C];2001年

7 叶烽;宋祖勋;;无人机系统电磁兼容性测试研究[A];第十四届全国电磁兼容学术会议论文集[C];2004年

8 易当祥;吕国志;沈玲玲;;多级路况下车载无人机疲劳载荷仿真[A];第十二届全国疲劳与断裂学术会议论文集[C];2004年

9 钱正祥;金继才;杨鹭怡;;未来局部战争中反无人机作战对策研究[A];探索创新交流－－中国航空学会青年科技论坛文集[C];2004年

10 高鹏骐;晏磊;赵红颖;何定洲;;无人机遥感控制平台的设计与实现[A];第十五届全国遥感技术学术交流会论文摘要集[C];2005年

中国重要报纸全文数据库 前10条

1 洪山;法国、德国和西班牙签约共同研发三国无人机系统[N];中国航空报;2007年

2 崔玺康;对抗无人机所面临的新挑战[N];中国航空报;2007年

3 林英;无人机将进入现代化农业领域[N];光明日报;2007年

4 本报记者 陈永杰　马佳;中国无人机亮相：战争“零伤亡”将实现[N];北京科技报;2008年

5 祖茜枫;“综合者”：携带小导弹的小无人机[N];中国国防报;2008年

6 王磊;印度期望打造强大无人机部队[N];学习时报;2009年

7 李荔;无人机“俯瞰”黄河灾情[N];北京科技报;2011年

8 本报记者 宋斌斌;我国无人机应用高端化趋势明显[N];中国工业报;2011年

9 吴飞;反恐十年无人机扶摇直上[N];中国航空报;2011年

10 司古;美无人机遭神秘病毒入侵[N];国防时报;2011年

中国博士学位论文全文数据库 前10条

1 刘洋;动态环境中的无人机路径规划研究[D];西北工业大学;2015年

2 高九州;无人机自主着陆控制[D];中国科学院研究生院(长春光学精密机械与物理研究所);2016年

3 陈岩;蚁群优化理论在无人机战术控制中的应用研究[D];国防科学技术大学;2007年

4 林林;基于协同机制的多无人机任务规划研究[D];北京邮电大学;2013年

5 刘春阳;无人机隐身技术若干问题研究[D];西安电子科技大学;2012年

6 王小刚;非线性滤波方法在无人机相对导航上的应用研究[D];哈尔滨工业大学;2010年

7 黄国勇;变推力轴线无人机飞行控制技术研究[D];南京航空航天大学;2009年

8 郑维刚;基于无人机红外影像技术的配电网巡检系统研究[D];沈阳农业大学;2014年

9 许德新;无人机光电载荷视轴稳定技术研究[D];哈尔滨工程大学;2011年

10 唐晏;基于无人机采集图像的植被识别方法研究[D];成都理工大学;2014年

中国硕士学位论文全文数据库 前10条

1 赵敏;分布式多类型无人机协同任务分配研究及仿真[D];南京理工大学;2009年

2 刘志花;无人机故障预测与健康管理技术研究[D];北京化工大学;2010年

3 刘爱兵;可变形无人机设计[D];南京航空航天大学;2009年

4 易姝姝;无人机飞行场景及数据的可视化仿真与实现[D];电子科技大学;2010年

5 张佳璐;无人机项目综合评价研究[D];北京邮电大学;2011年

6 赵志鸿;某型无人机双发火箭助推发射动力学建模与仿真研究[D];南京理工大学;2007年

7 李建华;某无人机发射系统技术研究[D];南京理工大学;2008年

8 戴世通;无人机飞行可视化仿真系统设计[D];西安理工大学;2008年

9 曹攀峰;敌对与非敌对环境下无人机群的协同搜索路径与策略研究[D];复旦大学;2010年

10 张锡宪;无人机测控中数据传输系统设计与实现[D];电子科技大学;2009年

  本文关键词：四旋翼无人机机动控制算法的研究与设计，由笔耕文化传播整理发布。

，

本文编号：252207