多旋翼无人机机载两轴增稳云台控制系统研究

发布时间：2020-04-26 05:32

【摘要】：为获取高质量的低空遥感影像,无人机机载航拍设备必须固定在高精度增稳云台之上。通过稳定控制技术保持增稳云台在惯性空间中的姿态稳定,从而维持航拍设备视轴的稳定,进而获取稳定清晰的视频图像。为获得稳定、清晰、抖动小的视频图像,研究和设计一款稳定精度高、响应速度快、超调量小的无人机机载增稳云台具有重要理论意义和实用价值。本文分为三部分:1)概述国内外无人机机载增稳云台的发展现状以及稳定控制技术的研究现状;2)论述增稳云台的机械结构、物理模型和所受扰动来源,并对其工作原理进行分析;3)围绕增稳云台的控制,重点开展了增稳云台姿态检测和电机位置伺服控制的研究工作。本文采用MEMS惯性传感器对增稳云台的姿态进行检测,为提高姿态检测精度,将离散Kalman滤波算法应用于多传感器信息融合姿态解算。与互补滤波算法相比,采用离散Kalman滤波算法的姿态检测模块检测精度得到提高。本文选用无刷直流电机作为增稳云台的执行机构。首先,为减小电机力矩脉动,分析了磁场定向控制在无刷直流电机位置伺服控制系统中的应用;其次,分析了该控制系统的三闭环控制结构,并使用MATLAB的SIMULINK工具箱搭建仿真模型;最后,为提高系统动态性能,提出了三闭环控制系统的逻辑规则+PI控制算法。仿真结果表明,采用逻辑规则+PI控制的无刷直流电机位置伺服控制系统具有超调小、稳态精度高、抗扰动性强的特点,在上升时间上,逻辑规则+PI控制仅为PID控制的53.8%。为对上述控制方法进行实验验证,搭建了两轴增稳云台实验样机。在静态实验中,两种控制方法的超调量均很小,各轴稳态误差均小于0.15°,但相对于PID控制,采用逻辑规则+PI控制时,俯仰轴和横滚轴上升时间分别减小了13.4%、11.5%。在动态实验中,增稳云台采用PID控制时,俯仰轴和横滚轴的姿态角最大绝对误差分别小于0.48°、0.52°;采用逻辑规则+PI控制时,俯仰轴和横滚轴最大绝对误差分别小于0.40°、0.43°,俯仰轴和横滚轴的姿态控制精度分别提高了16.7%和17.3%。地面模拟实验和实际飞行实验表明,采用逻辑规则+PI控制的两轴增稳云台具有良好的增稳效果。
【图文】：

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使用方便、监测范围广等优点。在灾害监测与救援方面的应用[5,6]：由于无人机受地理环境限制的影响相对较小，在自然灾害发生后无人机可以快速到达受灾现场。通过增稳云台挂载的航拍设备，可以做到对灾区实时监测，给救援人员开展救援工作提供客观的决策依据，大大提高救援工作的进度。在电网线路巡检方面[7,8]：为保证安全，高压电网的输电线距离地面有数米甚至数十米，同时也让工作人员难以接近，给输电线路的巡检和维修工作带来不便。通过使用搭载有增稳云台的无人机，工作人员不需要近距离接触输电线路，很大地提高了安全性，并且能够快速地完成输电线路的巡检工作，极大地提高了工作效率。当输电线路出现故障时，无人机可以快速地到达故障点，获取事故的总体情况，进而有效地提高维修速度、降低损失。图 1-1 展示了多旋翼无人机搭载增稳云台的四个具体应用场景。

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因此在低空遥感等领域，增稳云台得到性空间中自由度的数目，增稳云台可以划分为三轴增稳云台三大类。在实际应用中，具有更轴增稳云台应用更广。假设不考虑云台机械结轴增稳云台理论上能够保证负载设备在三维空的角度来看，各轴之间的相对独立性使得两轴方法上并没有多大的区别。增稳云台轴数需根择，为简化研究对象的复杂性，本章主要对两进行分析。云台结构，，增稳云台通过其基座直接挂载在多旋翼无人飞行姿态产生变化时，增稳云台在惯性空间的为多旋翼无人机机载两轴增稳云台的机械结构
【学位授予单位】：武汉理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：V279;V249.1

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