四旋翼飞行器的轨迹跟踪控制研究

发布时间：2020-09-22 10:17

　　四旋翼飞行器由于其较强的灵活性,机动性,在民用和军事领域均有广泛的应用前景。本文以四旋翼飞行器为研究对象,就轨迹跟踪控制,多传感器信息融合和轨迹规划三个方面展开研究。采用牛顿欧拉法建立了四旋翼飞行器的动力学模型,并采用姿态矩阵描述飞行器的姿态。为了实现四旋翼的轨迹跟踪,分别设计了基于内外环的的轨迹跟踪控制结构与基于单环的轨迹跟踪控制结构。两种结构均采用滑模控制以李亚普诺夫稳定性为标准设计控制律,且通过跟踪三种代表性的轨迹验证所提控制器的跟踪性能。考虑到实际情况中存在的建模误差以及系统噪声,进一步设计了基于内外环的自适应轨迹跟踪控制器。在部分参数未知且存在噪声干扰的情况下,仿真测试了所提出自适应控制器的稳定性与鲁棒性。综合考虑双目视觉系统与惯性导航系统的优缺点,提出采用双目视觉系统辅助惯性导航系统的组合导航方案。系统以惯性导航系统输出建立状态方程,双目视觉系统输出建立量测方程,通过卡尔曼滤波实现两者信息的融合。鉴于实际应用需求,进一步建立离散系统方程。考虑到系统的非线性与传感器更新速率的不匹配,提出多速率的扩展卡尔曼滤波与多速率的无迹卡尔曼滤波融合两种传感系统的信息,并通过仿真验证了整个导航系统的性能。基于四旋翼系统的微分平坦特性,设计了基于微分平坦的轨迹规划方法。通过多项式参数化平坦输出,将性能指标最优的问题转换为二次规划问题求解。通过模拟两种真实场景测试所提出算法的有效性。建立四旋翼飞行器的实验平台,以Matlab仿真为依据,在STM32处理器中编程实现所提出控制算法与信息融合算法,实验验证算法的可行性。
【学位单位】：东南大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：V249
【部分图文】：

界面图,上位机,界面,串口

CSerialPort 类实现串口通信。当串口接收到处理器发来的数据后产生WM_COMM_RXCHAR消息，该消息触发串口接收函数，在接收函数中按照数据协议对数据包中的数据进行提取，并将其显示。所设计的上位机界面如图5-2所示。图 5-2 上位机界面上位机界面主要有串口设置部分与实时显示部分，串口接收部分主要由五个组合框和两个按钮控件组成，五个组合框用于串口号以及波特率，校验位，数据位以及停止位组成的串口通信参数的选择，两个按钮控件用于串口通信的开断。当打开串口按钮按下且串口设置与发送端一致时，该串口才开始接收数据，当关闭串口按钮按下时，串口关

旋翼飞行器,轨迹跟踪,位置误差,速度误差

(a) 图 5-7 静态位置速度误差图.(a)由图可知，位置误差与速度误差均近似所提出融合算法的有效性。5.3.2 轨迹跟踪实验为了验证所提出的控制算法，我们将所器中编程实现，设定圆作为实验期望轨迹，图 5-9 为轨迹跟踪过程中的位置误差以及对0 30 60 90 120 150 180-5t(s)位置误差(m)yz

位置误差,分布直方图,轨迹跟踪,方向

57(a) (b)图 5-7 静态位置速度误差图.(a)静态位置误差;(b)静态速度误差由图可知，位置误差与速度误差均近似于零，与算法仿真具有相似的结果，验证了所提出融合算法的有效性。5.3.2 轨迹跟踪实验为了验证所提出的控制算法，我们将所提出的自适应轨迹跟踪控制算法在飞行控制器中编程实现，设定圆作为实验期望轨迹，图 5-8 为四旋翼飞行器室内轨迹跟踪结果。图 5-9 为轨迹跟踪过程中的位置误差以及对应误差的分布直方图。(a) (b)图 5-8 四旋翼飞行器室内轨迹跟踪结果.(a)室内飞行效果图; (b)实际飞行轨迹三维效果图0 30 60 90 120 150 180-55x 10-3t(s)位置误差(m)xyz0 30 60 90 120 150 180-0.2-0.100

【参考文献】