四旋翼飞行器飞行控制系统的研究与设计

发布时间：2017-11-28 09:19

  本文关键词：四旋翼飞行器飞行控制系统的研究与设计

  更多相关文章： 四旋翼飞行器 姿态位置控制 非线性状态误差反馈 最速反馈综合函数 双闭环PID控制器

【摘要】：四旋翼无人飞行器凭借其结构简单,垂直起降,灵活稳定等特点,近些年来在科研、民用市场、军事上都引起了极大的关注,具有重要的实际应用价值。然而其稳定飞行,必须借助飞行控制系统才能实现。由于四旋翼飞行器是一个典型的多输入多输出、非线性的强耦合复杂系统,对其飞行控制系统的设计实现,意味着对其数学模型、运动信息观测器、运动控制器等方面的研究与设计。本文围绕四旋翼飞行器飞行控制系统的设计展开研究,并将研究设计主要分成硬件系统设计、数学建模、传感观测系统设计、姿态控制器设计和位置控制器设计五个部分。首先对四旋翼无人机飞行控制系统的电子硬件部分进行了设计,获取了主要传感器的性能参数,制定了程序部分的主要流程;再运用牛顿—欧拉力学体系,对四旋翼无人机的运动特征、动力特征进行数学建模研究,设计实验对主要参数进行测量,并对电机—旋翼力学模型进行了研究;然后根据传感器性能及飞行环境将会对传感器测量数据带来的干扰,设计了窗口滑动滤波器和巴特沃斯数字低通滤波器对相应传感器数据进行除噪处理,同时针对飞行器的航姿系统和组合导航系统,设计了基于互补滤波思想的数据融合解算算法,使飞行控制系统能获得较为准确的飞行器角运动和线运动信息。接着根据四旋翼飞行器的姿态模型,分别设计了双闭环PID控制器和重点研究的基于最速反馈综合函数的非线性状态误差反馈控制器,并通过仿真研究、对比分析与实际飞行,证明了两种控制器的有效性及后者在快速性、稳定性上的优势;最后根据四旋翼飞行器的线运动模型,设计前馈—反馈PI控制器对竖直方向加速度进行控制,设计三闭环状态误差反馈控制器及LQR控制器对高度进行控制,设计双闭环PID控制器控制水平运动,并通过仿真分析与实际飞行验证了各控制器的有效性。最终完成了对四旋翼飞行器飞行控制系统的研究与设计,实现了对四旋翼飞行器的六自由度运动控制。
【学位授予单位】：华南理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：V249.1

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本文编号：1233475