多旋翼无人机变载荷姿态稳定控制

发布时间：2020-05-25 12:55

【摘要】：近几十年来,无人机被广泛应用于军事与民用领域,其相关研究工作正日益被科研人员所重视。多旋翼无人机凭借简单的结构与灵活的机动能力成为了无人机研究领域的重点。多旋翼无人飞行器在执行任务时需携带各种任务载荷,载荷的形状、质量等会对无人机的姿态稳定产生影响,而无人机的姿态稳定是其安全完成任务的基础。因此,设计合适的姿态控制器,使无人机能够在携带不同载荷的情况下实现姿态稳定,具有重要意义。本文以共轴十二旋翼无人机为研究对象,针对无人机携带各种不同载荷时的姿态控制问题进行研究,主要研究内容有以下几方面:(1)建立数学模型:要对无人机姿态控制进行研究,首先要建立无人机的动力学模型,首先选定合适的参考坐标系并给出各个坐标系之间的转换矩阵,之后利用牛顿运动学相关公式建立了多旋翼无人机的动力学与运动学方程。最后考虑到无人机携带不同类型载荷的情况,推导得出携带不同载荷时的多旋翼无人机的动力学方程。(2)姿态控制器设计:本文设计两种不同控制器进行对比:首先设计基于PID控制的多旋翼无人飞行器姿态控制器,考虑各种不同载荷对于无人机姿态的影响,设计多组仿真实验验证控制器有效性;由于PID控制存在局限性,为了改善控制效果,本文设计了基于自抗扰控制(ADRC)的无人机姿态控制器,同样设计多组实验检验控制器,并设计几组两种控制器的对比实验分析比较两种控制器的控制效果,最终得出结论。(3)航迹跟踪控制器设计:设计多旋翼无人机的位置控制器与姿态控制器的双闭环控制系统,内环采用性能更好的基于自抗扰控制的姿态控制器,外环采用PD控制来设计位置控制器,进行航迹跟踪仿真实验并且分析实验结果,结果表明本文所设计控制器能够达到在无人机携带不同载荷时实现航迹稳定跟踪的要求。
【图文】：

固定翼式无人机更佳的机动灵活性[2]，被广泛应用于军事民用等多个领域。旋翼式无人机应用于军事领域：由于微电子行业的迅猛发展，如今旋翼式无人机越来越多的发展为微小型，这种微小型多旋翼无人机结构简单，容易控制，在军事领域可以用于战场侦察、炮弹打击、运输物资等[3]。最初的无人机主要用于军事，而如今多旋翼无人机在民用方面的应用前景更加广泛，可以应用于农业植保、电力巡检、灾害救援、航空拍摄等[4]。农业植保：在农业领域，相比于人工以及地面机械，无人机的应用有着很大的优势，其可以用于农药喷洒，喷洒效率能够达到地面机械的数倍，更是人工的数十倍[5]；无人机还可以搭载相机、光谱仪、热像仪以及各种传感器，用于监测农作物的生长状况以及生长环境、预警农作物的虫草灾害、评估自然灾害等[6]。北京零度智控公司在 2017 年 4 月推出了一款农业无人机——守护者 Z10，该机可携带 10kg 有效载荷，满载续航时间长达 15 分钟，一体化机体结构更适合植保作业，还专门针对农业植保领域的需求对喷洒系统以及航迹规划进行了优化，随飞机配备的智能操控平台可使无人机实现一键起飞、一键降落、一键返航的“三一功能”。

图 1.2 无人机进行线路巡检害救援：我国是个自然灾害频繁发生的国家，，发生灾害后，为减少人员要及时高效的实施救援。无人机机动性强，并且可以在各种救援人员无高危地区进行工作，因此非常适合自然灾害的救援工作[8]。在 2008 年的中就有无人机应用于灾害分析的实例，利用微型无人机勘查灾害现场，高了对灾害现场的勘查能力[9]，也使得灾害救援能够更加及时地进行。
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：V279;V249.1

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本文编号：2680184