四旋翼飞行器抗风控制研究

发布时间：2017-10-15 01:30

  本文关键词：四旋翼飞行器抗风控制研究

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【摘要】：近年来,随着材料制造和加工技术的不断革新,控制理论和控制方法的创新与发展,电池电源系统的升级改进,还有无刷直流电机等新型电机的出现与发展,使得以四旋翼飞行器为代表的无人机技术得到了前所未有的进步,四旋翼飞行器作为旋翼飞行器的一种,具有体积小、结构简单、重量轻、机动性强等优点,以及垂直起降和定点悬停的突出特点,四旋翼飞行器在军事,商业以及民用各个领域都得到了广泛的应用。四旋翼飞行器在空中飞行过程中最常见的干扰就是风的影响,由于四旋翼的体积、重量一般都不大,因此风的影响就变大了。风场的影响主要体现在对四旋翼姿态控制、位置控制、航迹规划等多方面的影响。因此对于四旋翼飞行器的抗风性、抗干扰性的研究变得越来越重要。所以,本文针对四旋翼飞行器的抗风控制进行了研究与分析。首先对四旋翼飞行器的结构进行了介绍,对其飞行原理进行了阐述与分析,在此基础上,根据Newton-Euler方程建立出四旋翼飞行器的运动学及动力学模型,使四旋翼飞行器的飞行的复杂性能够在所建立的动力学模型中体现出来。接着对大气紊流风场的特性进行研究,建立了风场的动力学模型,并结合动力学方程将风场模型作为干扰项加入四旋翼飞行器控制系统中,满足了对飞行器在风场干扰下的动力学特性的描述。其次,对PID控制方法进行介绍和分析,基于所建立的四旋翼飞行器的动力学方程,利用PD的控制方法设计出四旋翼飞行器的控制器,并利用Matlab/Simulink软件搭建仿真模块,进行稳定控制仿真试验,分析仿真结果,然后将风场模型加入到四旋翼飞行器控制系统中,验证在风场扰动作用下PD控制器对四旋翼飞行器姿态和位置的稳定控制效果,分析控制器性能。最后对自抗扰控制方法及原理进行介绍和研究分析,将所建立的风场模型作为扰动项加入到四旋翼飞行器控制系统中,利用在自抗扰的控制方法重新设计控制器并进行仿真实验,验证自抗扰控制器在风场扰动作用下,对四旋翼飞行器位置和姿态稳定控制的控制效果。仿真实验表明,与PD控制器相比,自抗扰控制器控制性能更优,能够有效的控制紊流风场扰动的影响,更好的实现四旋翼飞行器的位置和姿态稳定控制。
【关键词】：四旋翼飞行器 PD控制 风场模型 自抗扰控制器
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：V249.1
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-9
• 第1章 绪论9-18
• 1.1 课题来源及研究的目的和意义9-10
• 1.2 四旋翼飞行器在国内外的研究现状10-14
• 1.3 自抗扰控制技术的发展情况14-16
• 1.4 主要研究内容16-18
• 第2章 四旋翼飞行器飞行原理与动力学模型18-30
• 2.1 四旋翼飞行器控制原理18-21
• 2.2 基于Newton-Euler方法的动力学建模21-25
• 2.2.1 坐标系建立及坐标系变换21-23
• 2.2.2 动力学模型的建立23-25
• 2.3 四旋翼飞行器控制系统仿真模块搭建25-29
• 2.4 本章小结29-30
• 第3章 紊流风场模型的建立30-37
• 3.1 旋翼的空气动力学分析30-31
• 3.2 四旋翼飞行器整体受力分析31-32
• 3.3 紊流风场模型32-36
• 3.4 本章小结36-37
• 第4章 基于PD控制方法的控制器设计37-47
• 4.1 PID控制器基本原理介绍37-38
• 4.2 四旋翼飞行器PD控制器设计38-39
• 4.3 仿真验证及结果分析39-45
• 4.3.1 位置姿态稳定控制(PD控制)39-43
• 4.3.2 风场扰动下的位置姿态稳定控制(PD控制)43-45
• 4.4 本章小结45-47
• 第5章 基于自抗扰控制原理的控制器设计47-68
• 5.1 PID控制器到自抗扰控制器47-48
• 5.2 自抗扰控制方法原理简介48-55
• 5.2.1 跟踪微分器工作原理49-51
• 5.2.2 扩张状态观测器工作原理51-54
• 5.2.3 非线性状态误差反馈律工作原理54-55
• 5.3 四旋翼飞行器自抗扰控制器设计55-59
• 5.3.1 自抗扰控制方法原理应用55-56
• 5.3.2 自抗扰控制律设计56-59
• 5.4 仿真验证及结果分析59-67
• 5.4.1 位置姿态稳定控制(ADRC控制)59-62
• 5.4.2 风场扰动下的位置姿态稳定控制(ADRC控制)62-65
• 5.4.3 自抗扰控制器与PD控制器抗风效果对比65-67
• 5.5 本章小结67-68
• 结论68-69
• 参考文献69-74
• 致谢74

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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

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本文编号：1034310