基于Y型结构的四旋翼飞行器的设计与姿态控制的研究

发布时间：2017-11-18 14:29

  本文关键词：基于Y型结构的四旋翼飞行器的设计与姿态控制的研究

  更多相关文章： Y型四旋翼飞行器 物理系统 动力学建模与分析 微分串级PID 自抗扰控制

【摘要】：旋翼飞行器是一种以电能为能源供应的、具有自主平衡性的、可以人机交互或自主飞行的飞行器。本文以一种新型基于Y型结构的四旋翼飞行器(four-rotor aircraft based on the structure of“Y”,后简称YFRA)为研究对象,整体结构形式既采用了共轴式直升飞机的类似结构,又吸取了多旋翼飞行器的多旋翼平衡布局形式,具有简单平衡的结构特性,并且搭建了相对应的电气系统;接下来以Y型四旋翼飞行器(YFRA)为研究目标进行了数学模型的建立,构建了相应的控制器,完成了仿真与物理实验。本文研究设计了Y型四旋翼飞行器的物理系统结构,建立了相应的数学模型,在整体动力学特性分析的基础上,对其姿态控制方法进行了研究,并完成物理实验,通过一系列的研究取得了以下主要研究成果:第一、Y型四旋翼飞行器的物理系统的建立本文设计了YFRA的整体机械结构与电气系统,该种飞行器在原有的四旋翼飞行器基础上使空间分配更加合理化;在同样大小的电机螺旋桨下选用的机架可以比传统四旋翼的材质用的更少,将Y型连接起来构成的三角形的空间占有大小比传统四旋翼更小,Y型四旋翼飞行器可以通过尾桨确定飞行器的方向,并且三角形更具有稳定性。本文在第二章通过Solid Works软件制作YFRA的机械结构,接下来基于Arduino环境下的C/C++语言将控制方法导入基于mega256核心处理器的核心板完成实物制作,并且最后完成悬停和俯仰运动的飞行任务,获得较好的实验结果,并且对实验结果进行分析,证明了物理系统与控制方法的有效性。第二、Y型四旋翼飞行器的动力学建模与分析本文基于此种飞行器的特殊结构进行数学模型的建立,在合理的模型假设下,采用拉格朗日方法建立了YFRA的动力学模型,并通过欧拉模型验证模型的正确性与有效性,最后根据数学模型分析了YFRA系统的稳定性和可控性。第三、基于微分串级PID方法的Y型四旋翼飞行器高度与姿态的控制研究本文将YFRA的姿态平衡控制问题分为姿态平衡控制和高度平衡控制。微分串级PID控制器的设计思想是根据YFRA的动力学特性以及被控对象在不同状态下响应曲线的数学分析,将姿态变化率作为参量引入到姿态平衡控制器中,实现对YFRA的姿态倾角和高度的有效控制。通过和其他控制方法的对比实验表明:针对姿态平衡控制问题,该控制方法能更有效地控制飞行器的姿态,有更强的抗干扰能力;并在物理平台上有效地验证了该种控制方法的优越性。第四、基于自抗扰控制方法的Y型四旋翼飞行器姿态的控制研究本文搭建自抗扰控制器通过和其他控制方法的对比实验表明:针对姿态平衡控制问题,该控制方法能更有效地控制飞行器的姿态,有更强的抗干扰能力;基于此模型的信号跟踪问题,自抗扰控制方法能有效对其进行跟踪并且在高斯白噪声影响下不会受到太大影响,并具有大范围的稳定性和鲁棒性。
【学位授予单位】：北京工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：V249.1

【相似文献】

中国期刊全文数据库 前10条

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：1200121