四旋翼飞行器稳定性控制方法研究

发布时间：2020-06-12 23:58

【摘要】：四旋翼飞行器具有飞行姿态灵活、稳定性强、结构简单等特点,因而被广泛应用于火灾观测、影视拍摄、快递运输、电力巡检、新闻报道等领域,执行这些任务需要对四旋翼飞行器位置和姿态做出准确和稳定的控制。传统四旋翼飞行器依靠惯性测量单元定高悬停时会出现漂移现象。研究人员加入了GPS传感器以修正位置,但在室内或GPS信号差的环境中,无法准确定位。此外,四旋翼飞行器的姿态控制常常会受到高频信号的干扰,而传统PID控制器在处理带有高频或突变的输入信号时存在超调量过大问题。本文针对四旋翼飞行器定高悬停不稳定和姿态控制受高频信号干扰这两个问题设计定高悬停模型和基于微分先行PID算法的飞行控制器,本文主要工作和创新点包括:(1)设计了基于光流传感器、激光传感器和九轴传感器的定高悬停模型。为了使飞行器能够稳定悬停,必须保持姿态和位置的稳定。首先,读取加速度计,解算出的俯仰角和翻滚角没有偏差积累,用以修正从陀螺仪得到的俯仰角和翻滚角。其次,由于磁力计没有积累误差,可以解算出高精度的偏航角用以修正陀螺仪得到的偏航角。同理,光流传感器的测量误差不随时间而积累,可以抑制飞行器水平方向的漂移。激光传感器与气压计结合来测量飞行器的高度。最后,利用卡尔曼滤波器融合多个传感器测量的数据,得到飞行器稳定悬停的最优估计。飞行测试基于传统惯性测量单元的定高悬停模型和改进后的定高悬停模型的水平和垂直方向的加速度和位移,结果表明改进后的定高悬停模型的悬停效果更好。(2)设计了基于微分先行PID算法的飞行控制器。飞行器姿态的稳定控制是飞行器定高悬停的关键。本文针对高频信号对飞行器姿态控制的影响,设计了基于微分先行PID算法的飞行控制器。传统PID控制器的输入信号直接作用在微分控制部分,当输入信号带有高频或突变信号时,对微分环节造成冲击,影响系统的稳定性。不完全微分PID控制器在微分环节的输出串联一阶低通滤波器来消除高频信号的干扰,但是系统的响应速度降低。微分先行PID控制器对变化相对缓和的输出量做微分运算,这样既降低了高频信号的干扰,又不影响系统的响应速度。高频信号干扰下,对传统PID控制器、不完全微分PID控制器和微分先行PID控制器做了仿真实验,还通过飞行实验对微分先行PID控制器和传统PID控制器的三个姿态角进行了测试,结果表明微分先行PID控制器的超调量更小,系统响应速度更快。
【图文】：

字模式,旋翼飞行器

2 四旋翼飞行器的飞行原理及运动分析“+”字模式和“X”模式[36]，其中，“X”模式的支架控制响应速度快，视野开阔[37-39文采用“X”模式。“+”字模式和“X”模式抽象结构分别如图 2.1 和图 2.2 所示1、M2、M3、M4 分别表示飞行器的四个电机，其中 M1 和 M3 逆时针转动，，M2 4 顺时针转动。

旋翼飞行器,模式结构,字模式

2 四旋翼飞行器的飞行原理及运动分析“+”字模式和“X”模式[36]，其中，“X”模式的支架控制响应速度快，视野开阔[37-39文采用“X”模式。“+”字模式和“X”模式抽象结构分别如图 2.1 和图 2.2 所示1、M2、M3、M4 分别表示飞行器的四个电机，其中 M1 和 M3 逆时针转动，M2 4 顺时针转动。
【学位授予单位】：西安科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：V249.1

【参考文献】