四旋翼飞行器控制系统设计及控制算法研究

发布时间：2020-06-04 03:57

【摘要】：四旋翼飞行器控制系统是一种非线性、欠驱动、强耦合的系统,它是验证各种控制算法的理想平台,是自动控制领域的研究热点之一。论文以实验室搭建的四旋翼飞行器为研究对象,重点研究了反演控制方法,并针对反演控制方法的不足进行改进,探索新的控制策略,设计了自适应反演控制算法的控制器。论文的主要工作和创新点如下:1.根据Newton-Euler方程建立了飞行器的动力学模型,并由此推导出飞行器的状态空间模型。将控制系统分为内环控制(姿态控制)和外环控制(位置控制)两个部分,构造了6个控制通道的传递函数和4个控制量,将高度耦合的系统分解成独立的控制通道。2.基于参数自整定PID控制方法设计了姿态控制和位置控制律,利用Matlab/Simulink进行仿真,验证了方案的可行性。3.针对四旋翼飞行器控制系统高阶数和非线性的特点,基于Backstepping控制方法和滑模变结构原理,设计了反演控制器,针对参数不确定性和干扰未知引起系统抖振问题,设计了自适应反演控制律。最后,在Simulink上仿真,对三种控制方法进行比较证明,反演控制器在收敛速度上要明显优于PID控制器,改进的自适应反演控制器超调量要小于反演控制器,能够明显地减少系统抖振。4.设计了四旋翼飞行器的总体方案,搭建了四旋翼飞行器实验平台,在该平台上实现了自适应反演控制器。测试表明,该实验平台能够实现自主悬停,在外力干扰的情况下能够快速的恢复稳定。
【图文】：

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研究与探索揭开新的篇章。时至今日，航天飞机已经是人的交通工具。但人类对航天的需求是多样化的，传统航天刻，无法满足像拍照、监控这样的任务。无人飞行器（UAV）在生活中有着大量的现实需求，例如农业大规模病虫害监测等。上述任务中，无人飞行器不仅险，，还能够降低人工成本[1]。无人飞行器的主要优点还包制造成本低廉，执行任务成本低，操控性灵活等；与传器的优势还有：可以垂直起降，不需要专用的机场，在复，以及可以保持悬停姿态[2]。，Breguet-Richet 设计建造了历史上首架四旋翼飞行器（的四端安装了四个旋翼，其每个旋翼的直径约 8.1m。这起飞了，虽然其在空中仅仅停留了数秒，但成功的开创了河。四旋翼一条支架两端的旋翼顺时针方向旋转，另一条方向旋转，以抵消自身旋转力矩，不需要专门的反扭力矩旋翼飞行器最鲜明的特点。

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并在生产生活实践得到广泛运用。nflyerlyer（图 1.3）是由 RC Toys 开发，RC toys 是美国的一家玩具飞机行业的老大。Draganflyer 是其设计的一款典型拍所设计的，是一款性能强劲的遥控摄像四旋翼飞行器旋翼飞行器。目前还有很多研究机构在利用 Draganflye四旋翼飞行器机身使用轻质的碳纤维材料，不仅减轻了而且机身强度更高。这款飞行器长宽都为 65cm，高为 268kg，最大起飞重量 0.98kg。它有非常丰富的机载传感螺仪（MEMS）和 3 个固态微机械加速度计，还装有气飞行高度，该飞行器能够实现自主悬停[5]。其飞行控制着陆的功能，这个功能对新手玩家非常重要，对于四旋要的意义。最新的 Draganflyer 控制系统还包括了四个时协助保持飞行器平稳。
【学位授予单位】：合肥工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：V249.1

【参考文献】