四旋翼飞行器自抗扰控制设计及实现

发布时间：2020-08-05 07:00

【摘要】：随着科技进步,传感器微型化发展,微控制器成本越来越低,而性能越来越强大,现代控制理论技术的成熟,促进了四旋翼飞行器的发展。又因为四旋翼飞行器机械结构简单,制作成本低,在空中机动灵活亦可稳定悬停等特点,因此吸引许多研究机构对其控制器进行设计。本文对四旋翼的研究主要分为两方面工作:理论研究和实验平台验证。(1)控制策略研究。四旋翼飞行器的功能基础为姿态控制技术,现在绝大多数开源飞控控制器为PID算法,为寻求更优的控制效果本文引入自抗扰控制器(ADRC),进行理论仿真研究;首先,对扩张状态观测器(ESO)进行理论分析,对扩张状态观测器中的非线性fal函数进行改进,得到改进型faln函数,并对改进后的状态观测器进行收敛性判断;然后,将传统的fal函数与改进型faln函数进行仿真实验对比,以验证改进型faln函数能够更好地达到“大误差,小增益”的效果;最后,将改进的faln函数应用于四旋翼飞行器姿态控制,仿真结果表明,改进后的faln函数具有比传统fal函数更优的抗扰效果。(2)实验平台验证。本文搭建了双核控制的四旋翼物理实验平台,实验平台嵌入了小型实时操作系统FreeRTOS,方便以后功能的扩展和移植,并在修改控制算法时减小工作量;姿态解算部分和控制器部分分别位于两个处理器,减小单个处理器的处理压力。在四旋翼实验平台上分别实现了串级PID控制算法和PID和自抗扰串级控制算法,从内环控制试验中采集角速度控制数据,从双环串级控制试验中采集角度控制数据,对控制效果进行了对比,内环采用自抗扰控制算法的控制策略跟踪效果和跟踪速度优于串级PID控制算法。
【学位授予单位】：燕山大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：V249.1
【图文】：

实验平台,实物,磁罗盘,主控板

实物图如图 2-3 所示STM32F103磁罗盘LSM303陀螺仪ITG3200STM32F407底板电路图 b) 主控板电图 2-3 四旋翼硬件电路板物图如图 2-4 所示

曲线,助手,多功能

数据并对结果进行分析。1 调试工具1.1 参数调试软件本文地面站采用的是山外多功能调试助手 V1.1.9 如图所示，该地面站可以种功能，可以将采集到的数据直接画出曲线便于观察及参数调试，且该地面站信协议简单易用。在本实验中用到的主要功能包括串口助手和虚拟示波器。(1) 串口助手，可以通过串口向四旋翼飞行器设定控制器参数，同时显示四旋制器的当前参数。(2) 虚拟示波器，通过串口采集的四旋翼各项数据包括三姿态角、传感器数据控制器中间计算数据等，将数据以波形的方式显示出来，便于实验中观察数据参数，同时生成 EXECL 保存数据。此示波器最多可以显示 8 种不同数据波形 4-1 所示。

蓝牙模块,通信协议,调试平台,组名

图 4-2 蓝牙模块地面站示波器通过简单的通信协议接收数据，其通信协议为：void wust_sendware(unsigned char *wareaddr, int16_t waresize){#define CMD_WARE 3uint8 cmdf[2] = {CMD_WARE, ~CMD_WARE};uint8 cmdr[2] = {~CMD_WARE, CMD_WARE};UartSend(cmdf,sizeof(cmdf));UartSend((unsigned char *)wareaddr, sizeof(wareaddr));UartSend(cmdr,sizeof(cmdr));}协议中 UartSend(cmdf,sizeof(cmdf))为起始，UartSend(cmdr,sizeof(cmdr))为结eaddr 为数组名代表被发送数据。.3 姿态调试平台

【参考文献】