四旋翼无人机飞行控制系统的状态估计问题研究

发布时间：2020-08-13 06:52

【摘要】：四旋翼无人机由于其广泛的应用前景,已经成为当前研究和应用的热点。四旋翼无人机稳定安全飞行的关键是飞行控制器(简称飞控)。目前,市面上已经出现了很多安全可靠的开源和闭源飞控。闭源飞控稳定性高、可靠性强,但是无法拿到传感器的原始数据以及底层的控制权,无法改变底层的控制逻辑,限制了自主开发和应用能力。开源飞控性能非常强大,但是源码架构庞大,冗余部分过多,不利于调试和进一步开发。考虑到开源和闭源飞控均无法满足进一步开发和工程应用的需求,因此我们拟开发一款飞控,从而能够根据需求定制自己的飞行控制系统。本课题为该项飞控开发的先行工作,主要解决传感器特性和配置方案分析、状态估计、仿真平台搭建、软件结构设计以及硬件选型和嵌入式实现设计等工作。论文的主要工作如下:首先,建立了所需要用到的坐标系并给出了坐标系之间的转换关系,建立了四旋翼无人机的运动学和动力学的数学模型,作为后续研究的基础。其次,建立了加速度计、陀螺仪和磁力计、超声波测距仪和气压计等姿态传感器和高度传感器的测量模型和误差模型,给出了传感器静态误差的校正方案,并设计实验说明校正方法的可行性。然后,给出了四旋翼无人机状态估计问题的描述,推导了基于Cramer-Rao下界的姿态和高度估计误差下界表达式,并对所选择的传感器配置方案进行了分析,针对姿态估计问题给出了基于Mahony互补滤波和EKF的估计算法,针对高度估计问题给出了基于AKF的估计算法,针对室内无GPS环境下的位置估计问题给出了基于地面标志与惯性元件信息融合的位置估计算法。最后,给出了拟开发的飞行控制系统软件和硬件架构设计,搭建了包括模型、控制分配、控制算法等模块的整套系统仿真平台作为开发和调试工具。设计了相关实验验证了状态估计算法的可行性。
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：V279;V249.1

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本文编号：2791674