四旋翼无人机控制系统的设计与实现

发布时间：2020-04-07 08:01

【摘要】：近些年来,四旋翼无人机因其操作方便、成本较低和机动性高等特点受到了国内外的广泛关注。四旋翼无人机作为一个欠驱动非线性系统,在飞行过程中容易受到风场的干扰,由于GPS精度不高,容易导致实际降落点偏离降落目标。本文设计了一种四旋翼无人机控制系统,并对控制算法、抗风扰性能与高精度降落进行了研究,主要内容如下:(1)为进行四旋翼无人机的控制系统设计,首先对四旋翼无人机进行受力分析,通过坐标系变换以及运用牛顿-欧拉公式对四旋翼无人机建立数学模型。为研究四旋翼无人机在风场干扰下的运动情况,对均值风、阵风和紊流风场等风场干扰进行建模。(2)根据四旋翼无人机的数学模型分别设计了模糊PID控制算法和滑模控制算法,搭建Simulink模块进行仿真实验,在仿真过程中加入风场干扰,通过调节模糊PID隶属度函数和削弱滑模控制中的抖振现象,提高系统的性能。对传统PID控制、模糊PID控制和滑模控制进行仿真对比,结果表明模糊PID控制器有着更好的动态特性,滑模控制有着更好的抗风扰性能。(3)针对彩色环形靶盘设计高精度自主降落图像处理方案,最终降落到中心。首先对颜色空间进行讨论,分析针孔成像模型和摄像头畸变模型,并对摄像头进行标定,获取内部参数。然后制定圆形特征检测方案,采用Canny算子边缘检测和Hough圆形变换,对圆形轮廓和圆心坐标进行了有效识别。(4)通过需求分析,搭建四旋翼无人机软硬件平台。选择四旋翼无人机的零部件进行集成,并在开源飞控基础上进行二次开发,分析飞控代码的软件框架,并设计针对抗风扰的控制律模块、针对室内飞行的定高模块和针对高精度降落的图像识别模块。(5)最后进行软硬件调试,设计室内和室外飞行实验。室内实验中,四旋翼无人机在均值风和阵风干扰下悬停效果良好,验证了系统软硬件抗风扰措施的可行性;在室外实验中,四旋翼无人机可以在5级风的环境下稳定飞行,结果表明设计的控制算法可以达到抗风扰要求。
【学位授予单位】：南京理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：V279

【参考文献】

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本文编号：2617657