基于GA-ADRC的四旋翼飞行控制系统设计

发布时间：2020-04-07 07:12

【摘要】：四旋翼飞行器是一种由四个旋翼提供飞行拉力,电池驱动,并且能够垂直升降的微小型无人机。由于它灵巧的飞行能力和卓越的飞行性能使它在近年来逐渐进入到大众的视线,在娱乐、农作、军事等许多领域都有广泛的应用。从动力学和运动学方面来讲,四旋翼飞行器是一个典型的具有四个控制输入、六个自由输出(位置和姿态)的欠驱动系统。该系统具有多变量、非线性、强耦合和干扰敏感的特性,控制性能还受到模型准确性和传感器精度的影响显著,这些因素极大地增加了控制系统设计难度。自抗扰控制器(ADRC)对于系统的模型精确度要求不高,它利用过程误差来消除系统误差,在一定程度上能够很好地对模型进行解耦控制。本文以四旋翼飞行器为研究对象,利用ADRC方法设计控制器,以解决建模的不确定性、模型的高度耦合以及外部干扰敏感等诸多问题。本文第一部分为理论基础,首先分析了四旋翼飞行器的结构和飞行原理并建立了飞行器的数学模型和控制效率模型;其次介绍了 ADRC控制原理,以及它的不高度依赖模型和解耦控制能力等优点。第二部分介绍了四旋翼常用传感器获取姿态信息的工作原理,分析了各传感器之间是如何进行数据融合、滤波和校正。同时介绍了三种常用的姿态表示方法以及姿态解算过程。以前面两个部分为基础,第三部分通过姿态解算得到的欧拉角作为ADRC姿态控制器的输入,设计四旋翼ADRC控制器。第四部分针对线性ADRC多参数寻优问题,设计了基于遗传算法的四旋翼ADRC姿态控制器,使得系统自动寻找最优参数,解决调参困难的问题。飞行实验和数值仿真表明,ADRC控制器能很好地控制四旋翼飞行,整个控制过程实现了快速、稳定,并且具有一定的抗干扰能力;同时遗传算法很好地解决了调参问题,便于ADRC控制器的工程实现。
【图文】：

逡逑世纪初，法国科学家Ｂｒｅｇｕｅｔ制造了第一架载人四旋翼式直升机飞行器，如图１．１逡逑所示。这并不是真正意义上的无人机。它通过飞行员改变旋翼转速控制飞行器，逡逑由于没有用到任何控制器和操作复杂，所以飞行稳定性很差，飞行实验以失败告逡逑终。直到１９２１年，第一架四旋翼式无人机才真正诞生。美国科学家Ｇｅｏｒｇｅ邋Ｄｅ逡逑Ｂｏｔｈｅｚａｔ和美国军方合作建造了一个直径８米旋翼的四旋翼直升机，进行了邋１００逡逑多次试验，但最终飞行高度仅仅只有５米，并没有达到期望的１００米高度。尽逡逑管如此，通过此次试验说明在理论上四旋翼飞行器是可以稳定飞行并可以制造逡逑出来的。１９２４年，法国人Ｏｅｍｉｃｈｅｎ设计的Ｏｅｍｉｃｈｅｎ号四旋翼直升机首次实现逡逑了邋ＩＫｍ的垂直飞行

逡逑世纪初，，法国科学家Ｂｒｅｇｕｅｔ制造了第一架载人四旋翼式直升机飞行器，如图１．１逡逑所示。这并不是真正意义上的无人机。它通过飞行员改变旋翼转速控制飞行器，逡逑由于没有用到任何控制器和操作复杂，所以飞行稳定性很差，飞行实验以失败告逡逑终。直到１９２１年，第一架四旋翼式无人机才真正诞生。美国科学家Ｇｅｏｒｇｅ邋Ｄｅ逡逑Ｂｏｔｈｅｚａｔ和美国军方合作建造了一个直径８米旋翼的四旋翼直升机，进行了邋１００逡逑多次试验，但最终飞行高度仅仅只有５米，并没有达到期望的１００米高度。尽逡逑管如此，通过此次试验说明在理论上四旋翼飞行器是可以稳定飞行并可以制造逡逑出来的。１９２４年，法国人Ｏｅｍｉｃｈｅｎ设计的Ｏｅｍｉｃｈｅｎ号四旋翼直升机首次实现逡逑了邋ＩＫｍ的垂直飞行
【学位授予单位】：厦门大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：V249.1

【参考文献】

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本文编号：2617610