小型四旋翼飞行控制系统设计及飞行控制算法研究

发布时间：2017-10-10 22:00

  本文关键词：小型四旋翼飞行控制系统设计及飞行控制算法研究

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【摘要】：四旋翼飞行控制系统是一种非线性、欠驱动、强耦合的系统,它是验证各种控制算法的理想平台,对四旋翼飞行控制系统的控制一直是个难题。论文以实验室搭建的四旋翼飞行器为研究对象,重点研究了反演控制方法,并针对反演控制方法的不足进行改进,探索新的控制策略,设计了基于积分反演控制算法的控制器。论文的主要工作和创新点如下：(1)设计了四旋翼飞行器系统的总体方案,在此基础上,搭建四旋翼飞行器系统的实验平台,包括器件的选型,系统软件的设计,并进行了大量的调试,确定设计的控制器的参数。(2)论文分析了四旋翼飞行器的基本飞行原理,并建立四旋翼飞行器的数学模型。(3)论文针对飞行器的姿态及位置控制,设计了基于PID控制算法的控制器,并在搭建的四旋翼飞行器平台上进行实验,而且针对飞行器的位置进行路径跟踪实验,结果证明设计的基于PID控制算法的控制器对飞行器控制系统是有效的。(4)在实际飞行中,设计的基于PID控制算法的控制器的稳定性及动态性能有待提高,本文设计了基于反演控制算法的控制器并对其改进,设计了基于积分反演控制算法的控制器,并分别进行仿真实验及针对飞行器的位置进行路径跟踪实验,结果证明,对于提高飞行器的动态性及稳定性,从PID控制器到反演控制器到积分反演控制器依次提高。
【关键词】：四旋翼飞行控制系统 实验平台 PID控制算法 反演控制算法 积分反演控制算法
【学位授予单位】：合肥工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：V249.1
【目录】：

• 致谢7-8
• 摘要8-9
• ABSTRACT9-16
• 第1章 绪论16-23
• 1.1 小型四旋翼飞行控制系统的背景与研究意义16-18
• 1.1.1 小型四旋翼飞行控制系统的背景16-17
• 1.1.2 小型四旋翼飞行控制系统的研究意义17-18
• 1.2 四旋翼飞行器控制目标和控制方法概述18-19
• 1.2.1 控制目标18
• 1.2.2 控制方法研究概述18-19
• 1.3 PID控制算法概述19-20
• 1.4 反演控制方法概述20
• 1.5 飞行控制系统发展趋势20-21
• 1.6 论文的研究内容、组织结构21-22
• 1.7 本章小结22-23
• 第2章 四旋翼飞行控制系统实验平台的搭建23-32
• 2.1 系统总体设计23-25
• 2.1.1 系统设计要求23-24
• 2.1.2 系统总体设计框架24-25
• 2.2 硬件模块设计25-31
• 2.2.1 飞行控制模块设计25-26
• 2.2.2 惯性测量器件26-27
• 2.2.3 遥控接收模块27-28
• 2.2.4 电源功能模块28
• 2.2.5 位置传感器28-29
• 2.2.6 无刷直流电机及电子调速器29-30
• 2.2.7 GPS定位模块30-31
• 2.2.8 螺旋桨31
• 2.3 本章小结31-32
• 第3章 四旋翼飞行器的飞行原理和建模32-44
• 3.1 引言32
• 3.2 飞行原理32-35
• 3.3 坐标转换矩阵35-37
• 3.4 系统建模37-43
• 3.4.1 力学方程组的建立37-39
• 3.4.2 力矩方程组的建立39-41
• 3.4.3 运动方程组的建立41
• 3.4.4 导航方程组的建立41-42
• 3.4.5 模型简化42-43
• 3.5 系统参数43
• 3.6 本章小结43-44
• 第4章 基于PID算法的四旋翼飞行器控制44-52
• 4.1 PID控制理论基础44
• 4.2 飞行器控制结构分析44-45
• 4.3 控制器的设计45-46
• 4.4 PD控制器的参数整定46-47
• 4.5 仿真实验与结果分析47-50
• 4.6 位置跟踪仿真结果及分析50-51
• 4.7 本章小结51-52
• 第5章 基于反演和积分反演算法的控制器的设计52-79
• 5.1 反演法基本原理52-54
• 5.2 基于反演控制算法的控制器的设计54-68
• 5.2.1 系统的数学模型用状态空间模型表示54-55
• 5.2.2 基于反演控制算法的姿态控制器的设计55-59
• 5.2.3 基于反演控制算法的位置控制器的设计59-63
• 5.2.4 仿真实验及结果分析63-66
• 5.2.5 位置跟踪及结果分析66-67
• 5.2.6 Lyapunov稳定性原理及稳定性分析67-68
• 5.3 基于积分反演控制算法的控制器的设计68-78
• 5.3.1 基于积分反演控制算法的姿态控制器的设计68-71
• 5.3.2 基于积分反演控制算法的高度控制器的设计71-72
• 5.3.3 仿真实验及结果分析72-75
• 5.3.4 位置跟踪仿真结果及分析75-76
• 5.3.5 基于反演控制算法的控制器与基于积分反演控制算法的控制器的比较76-78
• 5.4 本章小结78-79
• 第6章 总结与展望79-81
• 6.1 总结79-80
• 6.2 展望80-81
• 参考文献81-84
• 攻读硕士学位期间的学术活动及成果情况84-85

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1 宋亚平;浅谈旋翼的防腐维护[J];航空维修与工程;2004年04期

2 _5^懔，

本文编号：1008796