基于模型参考滑模控制的四旋翼无人机控制器设计

发布时间：2017-10-26 10:22

  本文关键词：基于模型参考滑模控制的四旋翼无人机控制器设计

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【摘要】：四旋翼无人机是一种可垂直起降、定点悬停、机动性强、成本较低且性能优良的无人驾驶飞行器,其在军事侦查、城市交通、灾害搜救等领域均有着良好的实际应用性和广阔的发展前景,拥有独特的研究价值与工程意义。四旋翼无人机具有非线性、强耦合、干扰敏感等特性,因而其数学模型的建立、飞行姿态信息的获取以及控制器的设计都成为了研究的难点。本文在总结前人工作的基础上,针对上述问题展开分析与探讨,基于四旋翼无人机实验平台建立非线性动力学模型,并重点研究姿态估计的多传感器数据融合算法与飞行控制方法。首先,以四旋翼无人机在机械和控制方面的需求为准则,设计机体、硬件系统与软件系统。在机体方面,完成了材料的选择与机体结构的设计；在硬件系统方面,采用模块化的思想完成了微处理器、传感器、执行器等功能模块的选型；在软件系统方面,介绍了双微处理器的任务分配与软件流程以及传感器数据的采集与处理。其次,定义四旋翼无人机飞行坐标系,选取欧拉角描述姿态,进而阐述其飞行原理。在分析机体结构特征和旋翼动力学特性的基础上,根据牛顿欧拉动力学方程,建立六自由度非线性动力学模型。再者,针对四旋翼无人机的姿态估计,设计基于四元数和扩展卡尔曼滤波器的多传感器数据融合算法。在分析多传感器测量数据特性的基础上,融合陀螺仪、加速度计和地磁计的测量数据解算出飞行姿态角。仿真结果验证了该算法的有效性。最后,对四旋翼无人机的六自由度非线性动力学模型进行合理简化与参数辨识,得到解耦的线性模型。并针对该线性模型,设计基于模型参考滑模控制的姿态控制器和高度控制器。仿真结果表明所设计的控制器具有良好的性能。
【关键词】：四旋翼无人机 非线性建模 模型参考滑模控制 扩展卡尔曼滤波器
【学位授予单位】：东南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：V279;V249.1
【目录】：

• 摘要5-6
• ABSTRACT6-9
• 第一章 绪论9-17
• 1.1 研究背景及意义9-11
• 1.2 研究现状11-14
• 1.2.1 国外研究现状11-13
• 1.2.2 国内研究现状13-14
• 1.3 飞行控制方法概述14-15
• 1.4 本文研究内容及组织结构15-17
• 1.4.1 研究内容15-16
• 1.4.2 组织结构16-17
• 第二章 四旋翼无人机实验平台设计17-27
• 2.1 需求分析17-18
• 2.2 机体设计18-19
• 2.3 硬件系统设计19-24
• 2.3.1 硬件系统整体设计方案19
• 2.3.2 微处理器模块19-21
• 2.3.3 无线通信模块21
• 2.3.4 传感器模块21-22
• 2.3.5 动力模块22-23
• 2.3.6 硬件系统组装与测试23-24
• 2.4 软件系统设计24-26
• 2.5 本章小结26-27
• 第三章 四旋翼无人机建模27-39
• 3.1 坐标系及姿态角27-29
• 3.1.1 坐标系27-28
• 3.1.2 姿态角28-29
• 3.2 飞行原理29-31
• 3.3 旋翼动力学特性31-34
• 3.4 六自由度非线性动力学模型34-38
• 3.4.1 位置运动分析34-36
• 3.4.2 姿态运动分析36-38
• 3.5 本章小结38-39
• 第四章 基于多传感器的四旋翼无人机姿态估计39-53
• 4.1 姿态解算算法39
• 4.2 四元数理论39-42
• 4.3 传感器测量值分析42-45
• 4.3.1 陀螺仪测量值分析43
• 4.3.2 加速度计测量值分析43-44
• 4.3.3 地磁计测量值分析44-45
• 4.4 卡尔曼滤波器原理45-49
• 4.4.1 卡尔曼滤波器45-47
• 4.4.2 扩展卡尔曼滤波器47-49
• 4.5 基于扩展卡尔曼滤波器的数据融合算法49-52
• 4.6 本章小结52-53
• 第五章 基于滑模控制方法的四旋翼无人机控制器设计53-70
• 5.1 滑模变结构控制53-55
• 5.1.1 滑模变结构控制的基本思想53-54
• 5.1.2 滑模变结构控制的特性54-55
• 5.2 模型参考滑模控制55-57
• 5.3 控制系统总体设计方案57-58
• 5.4 姿态控制器设计58-65
• 5.4.1 模型简化58-59
• 5.4.2 参考模型设计59-61
• 5.4.3 滑模控制器设计61
• 5.4.4 仿真实验61-65
• 5.5 高度控制器设计65-69
• 5.5.1 模型简化与参数辨识66-67
• 5.5.2 控制器设计与仿真实验67-69
• 5.6 本章小结69-70
• 第六章 总结与展望70-72
• 6.1 工作总结70
• 6.2 前景与展望70-72
• 致谢72-73
• 参考文献73-77
• 作者简介77

【参考文献】

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本文编号：1098253