四旋翼飞行器姿态控制算法研究

发布时间：2017-10-17 11:21

  本文关键词：四旋翼飞行器姿态控制算法研究

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【摘要】：无人机主要分为固定翼和旋翼两种类型,其中四旋翼无人机以其结构简单、操作容易、成本低等特点被广泛应用。飞行器的姿态控制算法是保证飞行器稳定飞行的核心,因此研究飞行器姿态控制算法具有十分重要的意义。本文首先对飞行器的姿态解算方法和MEMS传感器的数学模型进行了分析与研究,然后利用牛顿-欧拉公式建立了四旋翼动力学模型。在动力学模型的基础上,利用PID算法设计了位置控制器和姿态控制器,并在MATLAB中对控制系统的稳定性进行了仿真验证,仿真结果表明PID控制算法可以保证飞行器稳定飞行。系统仿真时的姿态反馈信息由飞行器动力学模型解算得到,而实际飞行器系统的姿态反馈信息由陀螺仪、磁力计及加速度计的数据结合姿态估计算法得到。本文首先研究了基于扩展卡尔曼滤波算法和无迹滤波算法的姿态估计算法,针对上述两种算法计算量大且实现复杂的问题,本文设计了一种基于改进型互补滤波算法的姿态估计算法。在MATLAB中分别对三种算法的估计精度进行了仿真验证,仿真结果表明三种姿态估计算法的姿态角度估计精度均较高,但本文设计的基于改进型互补滤波算法的姿态估计算法减小了系统计算量并降低了实现难度,更加适合低成本处理器系统。基于上述设计的控制器与姿态估计算法,本文采用STM32F427处理器进行了飞行器系统设计,并利用该系统进行了悬停与飞行运动实验。实验结果表明本文设计的控制系统和姿态估计算法能保证飞行器稳定飞行。在飞行器平台基础上,本文设计了一套用于检测大气PM2.5/10浓度的环境监测系统,该系统利用四旋翼飞行器搭载PM2.5/10激光散射仪测量大气PM2.5/10浓度,并利用QT开发的上位机界面进行数据显示与保存。
【关键词】：四旋翼无人机 动力学模型 MEMS传感器 姿态估计 PM2.5/10检测
【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
• ABSTRACT5-8
• 第1章 绪论8-15
• 1.1 课题研究背景及意义8-9
• 1.2 四旋翼飞行器研究现状与分析9-14
• 1.2.1 国内外相关工作研究进展9-12
• 1.2.2 四旋翼控制技术研究现状12-14
• 1.3 本文主要研究内容14-15
• 第2章 姿态解算及MEMS传感器分析15-23
• 2.1 引言15
• 2.2 常用坐标系及四旋翼姿态求解方法15-18
• 2.2.1 常用坐标系定义15-16
• 2.2.2 四旋翼姿态求解方法16-18
• 2.3 陀螺仪分析18-20
• 2.4 加速度计分析20-21
• 2.5 磁力计分析21-22
• 2.6 本章小结22-23
• 第3章 四旋翼控制系统设计与仿真23-36
• 3.1 引言23
• 3.2 四旋翼非线性系统数学建模23-29
• 3.2.1 动力系统模型23-25
• 3.2.2 系统控制分配模型25
• 3.2.3 动力学方程25-28
• 3.2.4 运动学方程28-29
• 3.3 控制系统双闭环设计29-31
• 3.3.1 控制系统设计29-30
• 3.3.2 控制算法设计30-31
• 3.4 MATLAB仿真结果及分析31-35
• 3.4.1 仿真平台搭建31-32
• 3.4.2 仿真参数设定32-33
• 3.4.3 仿真结果及分析33-35
• 3.5 本章小结35-36
• 第4章 四旋翼姿态估计算法研究与仿真36-55
• 4.1 引言36
• 4.2 基于EKF的姿态估计算法设计36-39
• 4.2.1 EKF算法原理36-37
• 4.2.2 基于EKF姿态估计实现37-39
• 4.3 基于UKF的姿态估计算法设计39-41
• 4.3.1 UKF算法原理39-41
• 4.3.2 基于UKF姿态估计实现41
• 4.4 基于改进型互补滤波算法的姿态估计算法设计41-46
• 4.4.1 利用梯度下降法求解姿态角度41-43
• 4.4.2 磁场畸变补偿43-44
• 4.4.3 陀螺仪零漂补偿44
• 4.4.4 姿态估计算法设计44-46
• 4.5 MATLAB仿真结果对比与分析46-54
• 4.5.1 轨迹发生器生成传感器数据46-47
• 4.5.2 MATLAB仿真结果及分析47-54
• 4.6 本章小结54-55
• 第5章 飞行器软硬件系统设计与实验分析55-66
• 5.1 引言55
• 5.2 飞行器硬件系统设计55-57
• 5.3 飞行器软件系统设计57-61
• 5.4 实验结果与分析61-64
• 5.5 飞行器系统应用64-65
• 5.6 本章小结65-66
• 结论66-67
• 参考文献67-71
• 攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果71-73
• 致谢73

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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：1048540