小型四旋翼飞行器平台设计与控制方法研究

发布时间：2019-12-03 06:17

【摘要】：四旋翼飞行器是一种多旋翼飞行器,它具有体积小,成本低,起降过程占用空间少,在障碍物分布密集、复杂的空间仍能保持较优秀的飞行性能等优点,在民用、军事、科研等领域都得到了越来越广泛的应用。随着人们对四旋翼飞行器的关注,四旋翼飞行器的数学模型的建立,软硬件平台的搭建,姿态测量方法和控制方法的研究也越来越受到人们的重视。首先,本文基于牛顿第二定律和刚体转动定律建立了四旋翼飞行器的数学模型。四旋翼飞行器的数学模型包括运动学模型和动力学模型,分为角度姿态和线性位置两个方面。飞行器线性位置的概念很容易理解,本文重点介绍了飞行器角度姿态的描述方法,包括四元数法,欧拉角法等,然后对四旋翼飞行器在飞行过程中所受到的力/力矩进行了分析,并结合飞行器飞行原理的分析,选取了适当的物理量作为控制输入量,基于牛顿第二定律和刚体转动定律建立起了四旋翼飞行器在姿态和位置两方面的运动学和动力学模型。其次,本文选用高性能的STM32处理器及MEMS传感器搭建了四旋翼飞行器的飞行平台。本文中设计的四旋翼飞行器飞行平台包括机架、电机、旋翼、飞控板、地面站等部件分。其中,飞控板作为飞行平台的核心,是本文重点设计的部分,包括处理器的选型,最小系统的电路设计,MEMS传感器的选型及数据读取以及所需要的其他外设的选择及电路设计。然后,本文在对传感器数据进行校正,前置低通滤波处理之后,使用了姿态插值、梯度下降、互补滤波三种方法对飞行器的姿态信息进行了测量。本文介绍了加速度计、陀螺仪、电子罗盘测量姿态信息的工作原理,以及它们在测量姿态方面各自存在的缺点不足。综合考虑各个传感器的特点使用了姿态插值、梯度下降、互补滤波三种方法对传感器提供的数据进行处理,得到了比较精确的飞行器姿态信息。最后,本文设计了基于状态观测器的自适应滑模控制算法来控制四旋翼飞行器的姿态,使姿态控制系统有更好的响应速度、控制精度和鲁棒性。本文将飞行器的控制分为了内环控制和外环控制两个部分,其中内环控制为姿态控制,外环控制为位置控制,我们重点为飞行器姿态控制方面设计了滑模控制的方法,并通过仿真与传统的PID控制方法进行了对比,证明了滑膜控制方法在改善系统响应速度、控制精度和鲁棒性的优越性。
【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

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