四旋翼飞行器实验平台设计及系统辨识研究

发布时间：2017-11-16 08:08

  本文关键词：四旋翼飞行器实验平台设计及系统辨识研究

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【摘要】：四旋翼飞行器的多输入多输出非线性特性导致其准确机理模型的获取相当困难,而通过系统辨识可以相对容易得到飞行器的数学模型。测试信号设计是系统辨识最终成败的关键要素,最优测试信号旨在利用最小测试功率来获取对象过程的最大信息。本文工作主要包括飞行器实验平台的设计和闭环最优测试信号的设计,利用最优测试信号对飞行器模型进行辨识,在辨识模型基础上优化PID控制器参数,并利用仿真和物理实验验证所提出辨识方案的可行性；具体如下：1.设计完成飞行器硬件实验平台。详细分析四旋翼飞行器的飞行原理和机理模型,指出“X”模式下飞行器通过电机转速差完成六个自由度运动；通过机理模型分析和仿真建模充分把握飞行器运动规律以及控制特性；根据反馈控制框架完成飞行控制系统的整体硬件方案设计；完成硬件选型和电路设计。2.根据硬件实验平台完成软件方案设计。实现基于串级PID控制的控制算法,该算法内环控制对象为三轴角速率,外环控制对象为姿态角；结合不同姿态传感器高低频特性互补的特点,实现基于互补滤波的四元素姿态解算算法,该算法可解决“万向轴锁”问题；根据设计目标编写底层控制和上位机软件代码；完成软件模块测试和实验平台飞行实验。3.实现一种最大信息的闭环最优测试信号设计方法。该方法充分考虑噪声模型,将参数协方差矩阵在频域范围内展开,构造一个约束条件为线性不等式的凸优化问题进行求解并将测试信号转化为余弦信号叠加表达式；Monte-Carlo测试实验证明相同功率的前提下该测试信号能比随机二进制和广义二进制噪声信号得到更加准确的模型。4.完成四旋翼飞行器闭环辨识实验。应用PEM辨识方法和最优测试信号完成飞行器的仿真辨识实验,实验结果证明基于最优测试信号的系统辨识可以获得精确的数学模型；利用实验平台进行物理辨识实验,并在辨识模型基础上优化PID控制参数,实验结果证明该方法可提高飞行器的控制性能。
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：V216.8

【参考文献】

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本文编号：1191674