四旋翼飞行器控制系统及导航研究

发布时间：2020-08-08 07:24

【摘要】：四旋翼飞行器具有低成本、零伤亡、可重复利用和结构简单的优点,吸引了众多的学者参与到四旋翼飞行器的研究中。但其飞行系统是一个欠驱动、非线性和强耦合的系统,因此实现精准的控制是难点之一。另外,实现飞行器自主飞行的前提就是获取准确的姿态角,四旋翼飞行器一般使用微机电系统(MEMS)器件作为导航传感器,但是MEMS器件有着噪声高和易受环境影响的缺点,如何使用高效的数据融合算法来实现姿态角的准确解算也是重要的研究方向,本文将针对以上问题展开研究。首先,根据飞行器建模需要,建立了两种坐标系,推导出了姿态旋转矩阵,以牛顿的力学公式为基础,根据飞行器的动力学特性建立非线性动力学模型方程组,为飞控系统的设计奠定了基础。然后,为了优化导航研究中姿态角的稳定性能,并实现全姿态解算,分别使用基于四元数算法的扩展卡尔曼滤波(EKF)和模糊自适应扩展卡尔曼滤波(FAEKF)对采集的传感器数据进行数据融合,并使用MATLAB对上述算法进行了仿真验证,结果表明,模糊自适应扩展卡尔曼滤波算法在姿态稳定性能控制上更优。最后,使用飞行器的动力学方程组分别搭建了姿态控制模型和位置控制模型,使用PID算法进行控制,完成仿真实验。为了优化控制效果,设计模糊控制器对PID进行优化,并使用MATLAB/Simulink平台进行验证,结果表明模糊PID提高了姿态稳定的控制性能。使用本文所设计的控制算法和姿态解算算法对四旋翼飞行器进行飞行试验,试验表明:本文提出的算法可以取得良好的飞行效果,证明了算法的可行性。
【学位授予单位】：安徽理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：V279;V249
【图文】：

飞行器,旋翼飞行器,美国军队

图 1 Breguet-Richet 研制的四轴飞行器Fig.1 Quadrotor developed by Breguet-Richet在上世纪中期开始，四旋翼飞行器的发展渐进成熟，名为“Convertawing Mo”的四旋翼飞行器在上世纪中叶问世[4]，如图 2(a)所示，该飞行器依靠两个动动螺旋桨产生动力，两个动机之间相互独立，通过改变每个电机的功率来改力，可以实现简单的飞行。在上世纪 60 年代，美国军队曾邀请荷兰的公司为研制四旋翼飞行器“VZ-7”[4]，该飞行器相对之前的稳定性都有质的提高，

旋翼飞行器,载重能力

涡轮发送机给飞行器提供升力，重量减小的同时还提升了功率，如图 2(b)，其飞行速度较慢和飞行高度较低，不符合美方军队的要求，该项目没有进一发就搁置了，但该飞行器的机动性和载重能力都有了大大的提高，但是相对定翼，在飞行速度、飞行高度、载重能力和续航等方面都落后，在上世纪的四旋翼飞行器的发展较缓慢。

飞行器,宾夕法尼亚大学,控制算法,反馈线性化控制器

控制算法实现稳定飞行。图 3 Draganflyer X4 图 4 MITFig.3 Draganflyer X4 Fig.4 MIT宾夕法尼亚大学的研发的名为 HMX4 的四旋翼飞行器是一种利用图像处理的方法来实现自主飞行的[5]，他们使用的姿态解算算法和控制算法分别为反馈线性化控制器和 backstepping 算法，实物图如图 5 所示。宾夕法尼亚大学研发的HMX4 已经能够稳定的根据视觉定位系统来进行定位和姿态角的测量。

【参考文献】