四旋翼无人机模型仿真和飞行控制优化
发布时间：2020-12-10 08:56
四旋翼无人机是一种常见的小型无人机,起降方便,能够应用在航拍、灾难救援、测绘、电力巡检等领域,具有很强的实际应用价值。本文主要从四旋翼无人机研究背景、系统动力学分析与建模、滑模控制律设计、卡尔曼滤波数据融合、自主飞行试验等几个方面对四旋翼无人机展开研究。分别从软件和硬件两个方面对无人机的飞行质量进行了优化。首先,根据四旋翼无人机的机身结构分析了无人机的飞行原理,根据无人机的线运动和角运动建立其数学模型,同时建立了作为无人机飞行执行机构的电机模型。其次,考虑到四旋翼无人机的建模误差和模型对外扰敏感的特点,采用了滑模控制作为无人机的飞控算法,分别设计了无人机的位置滑模控制器和姿态滑模控制器。并对设计的控制器进行了Matlab仿真,验证了滑模控制算法对无人机姿态角和位置控制的有效性。接着,针对四旋翼无人机各传感器性能单一,无法满足对其姿态角和位置准确追踪的特点,采用卡尔曼滤波算法对多个传感器进行数据融合,得到比单一信息源更连续准确可靠的导航信息。最后,完成四旋翼无人机硬件部分总体设计。在进行机身硬件设计时结合无人机的飞行环境、无人机抗外扰能力、控制算法程序设计、零部件的成本等因素。用设计好的...
【文章来源】：华北电力大学河北省 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：54 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
固定翼无人机
.1 研究背景及意义无人机全称无人驾驶飞机（UAV，Unmanned Aerial Vehicle），是一种依靠携带的飞行控制装置和无线遥控设备操纵的不载人飞行器。通过自身携带的设备和飞行控制系统，无人机可以脱离遥控器自动驾驶，实现超视距飞行[1前世界上存在成千上万种不同构造的无人机，根据不同的机身结构大体上可为固定翼无人机和旋翼无人机。固定翼无人机机身外形类似于常见的大型载机，其动力来自电机的转动产生的推力。旋翼无人机的飞行是依靠电机转动的升力来平衡自身的重力，通过改变电机的转速来保持自身稳定及实现不同姿态。旋翼无人机独特的机身机械构造使得它的飞行起降对场地要求低，同完成许多固定翼无人机不能完成的复杂机身动作，例如，定点悬停、垂直起[2-3]。此外旋翼无人机与固定翼型无人机相比具有有效荷载大、控制结构简单行稳定性好等优点。旋翼无人机独特的优点使得它成为了近年来各大科研单企业竞相研究的对象。同时，近年来随着无人机搭载的各种传感器精度不断和微处理器性能的不断提升为旋翼无人机的迅猛发展提供了很好的硬件支撑图 1-1 是一种常见的固定翼型无人机，图 1-2 是一种常见的旋翼无人机。
图 1-3 Breguet 兄弟飞行试验图 1-4 法国 AR.Drone 无人机 图 1-5 大疆 Phantom 无人机国外的科研单位对无人机的研究比较早，研究的也更深入。日本的千叶大学采用德国公司 Ascending Technologies 生产的 X-3D-BL 型四旋翼无人机进行研究，该无人机融合了 GPS 模块，IMU 单元和 WIFI 模块具有机身小荷载大等优点。美国的斯坦福大学研究了 STARMAC I 型和 II 型两套四旋翼系统，该系统使用了上下两层控制系统，上层系统采用 PC104 计算机芯片，下层采用 AVR 单片
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于神经网络的小型无人直升机非线性鲁棒控制设计[J]. 鲜斌,张浩楠. 控制与决策. 2018(04)
[2]加入不确定扰动的无人机飞行轨迹跟踪控制[J]. 张晓军,陆兴华. 计算机技术与发展. 2018(01)
[3]基于遗传算法的四旋翼飞行器最优控制[J]. 韩铖,张彦军. 电光与控制. 2018(01)
[4]Analytical study of wrinkling in thin-film-on-elastomer system with finite substrate thickness[J]. Xianhong MENG,Guanyu LIU,Zihao WANG,Shuodao WANG. Applied Mathematics and Mechanics(English Edition). 2017(04)
[5]Quaternion-based Nonlinear Trajectory Tracking Control of a Quadrotor Unmanned Aerial Vehicle[J]. ZHA Changliu,DING Xilun,YU Yushu,WANG Xueqiang. Chinese Journal of Mechanical Engineering. 2017(01)
[6]基于PD-ADRC的四旋翼控制器设计[J]. 张岱峰,罗彪,梅亮. 测控技术. 2015(12)
[7]Nonlinear symbolic LFT model for UAV[J]. 涂海峰,刘莉. Journal of Beijing Institute of Technology. 2015(02)
[8]小型无人机飞行控制系统硬件设计[J]. 都基焱,张振. 兵工自动化. 2014(09)
[9]四旋翼飞行器建模与PID控制器设计[J]. 江杰,岂伟楠. 电子设计工程. 2013(23)
[10]小型无人直升机的姿态与高度自适应反步控制[J]. 孙秀云,方勇纯,孙宁. 控制理论与应用. 2012(03)
博士论文
[1]高空长航时无人机多学科设计若干问题研究[D]. 孙智伟.西北工业大学 2016
[2]自适应Kalman滤波方法及其在航空矢量重力测量中的应用[D]. 林旭.武汉大学 2014
[3]嵌入式多核处理器设计与实现关键技术研究[D]. 侯宁.合肥工业大学 2012
硕士论文
[1]小型无人机自动驾驶仪硬件设计及姿态算法研究[D]. 宁昭凯.沈阳航空航天大学 2016
[2]小型无人机自驾仪的设计及其控制算法研究[D]. 李森.北京理工大学 2015
[3]地面效应与控制参数对多旋翼无人机飞行性能影响研究[D]. 游安华.南京理工大学 2015
[4]直升机新型反扭矩系统的设计与试验[D]. 吉孟江.南京航空航天大学 2014
[5]多无人机协同任务规划技术[D]. 韩攀.南京航空航天大学 2013
[6]基于数字信号处理器（DSP）的四旋翼无人机自主控制系统研究[D]. 黄国平.天津大学 2012
[7]基于动态逆的无人机控制律设计技术研究[D]. 胡盛华.南京航空航天大学 2012
[8]直升机尾传动系统的横向振动和扭转振动分析[D]. 艾平贵.南京航空航天大学 2009
[9]无人机飞行控制系统的硬件设计与研究[D]. 李晓强.西安理工大学 2008
本文编号：2908428
【文章来源】：华北电力大学河北省 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：54 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
固定翼无人机
.1 研究背景及意义无人机全称无人驾驶飞机（UAV，Unmanned Aerial Vehicle），是一种依靠携带的飞行控制装置和无线遥控设备操纵的不载人飞行器。通过自身携带的设备和飞行控制系统，无人机可以脱离遥控器自动驾驶，实现超视距飞行[1前世界上存在成千上万种不同构造的无人机，根据不同的机身结构大体上可为固定翼无人机和旋翼无人机。固定翼无人机机身外形类似于常见的大型载机，其动力来自电机的转动产生的推力。旋翼无人机的飞行是依靠电机转动的升力来平衡自身的重力，通过改变电机的转速来保持自身稳定及实现不同姿态。旋翼无人机独特的机身机械构造使得它的飞行起降对场地要求低，同完成许多固定翼无人机不能完成的复杂机身动作，例如，定点悬停、垂直起[2-3]。此外旋翼无人机与固定翼型无人机相比具有有效荷载大、控制结构简单行稳定性好等优点。旋翼无人机独特的优点使得它成为了近年来各大科研单企业竞相研究的对象。同时，近年来随着无人机搭载的各种传感器精度不断和微处理器性能的不断提升为旋翼无人机的迅猛发展提供了很好的硬件支撑图 1-1 是一种常见的固定翼型无人机，图 1-2 是一种常见的旋翼无人机。
图 1-3 Breguet 兄弟飞行试验图 1-4 法国 AR.Drone 无人机 图 1-5 大疆 Phantom 无人机国外的科研单位对无人机的研究比较早，研究的也更深入。日本的千叶大学采用德国公司 Ascending Technologies 生产的 X-3D-BL 型四旋翼无人机进行研究，该无人机融合了 GPS 模块，IMU 单元和 WIFI 模块具有机身小荷载大等优点。美国的斯坦福大学研究了 STARMAC I 型和 II 型两套四旋翼系统，该系统使用了上下两层控制系统，上层系统采用 PC104 计算机芯片，下层采用 AVR 单片
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于神经网络的小型无人直升机非线性鲁棒控制设计[J]. 鲜斌,张浩楠. 控制与决策. 2018(04)
[2]加入不确定扰动的无人机飞行轨迹跟踪控制[J]. 张晓军,陆兴华. 计算机技术与发展. 2018(01)
[3]基于遗传算法的四旋翼飞行器最优控制[J]. 韩铖,张彦军. 电光与控制. 2018(01)
[4]Analytical study of wrinkling in thin-film-on-elastomer system with finite substrate thickness[J]. Xianhong MENG,Guanyu LIU,Zihao WANG,Shuodao WANG. Applied Mathematics and Mechanics(English Edition). 2017(04)
[5]Quaternion-based Nonlinear Trajectory Tracking Control of a Quadrotor Unmanned Aerial Vehicle[J]. ZHA Changliu,DING Xilun,YU Yushu,WANG Xueqiang. Chinese Journal of Mechanical Engineering. 2017(01)
[6]基于PD-ADRC的四旋翼控制器设计[J]. 张岱峰,罗彪,梅亮. 测控技术. 2015(12)
[7]Nonlinear symbolic LFT model for UAV[J]. 涂海峰,刘莉. Journal of Beijing Institute of Technology. 2015(02)
[8]小型无人机飞行控制系统硬件设计[J]. 都基焱,张振. 兵工自动化. 2014(09)
[9]四旋翼飞行器建模与PID控制器设计[J]. 江杰,岂伟楠. 电子设计工程. 2013(23)
[10]小型无人直升机的姿态与高度自适应反步控制[J]. 孙秀云,方勇纯,孙宁. 控制理论与应用. 2012(03)
博士论文
[1]高空长航时无人机多学科设计若干问题研究[D]. 孙智伟.西北工业大学 2016
[2]自适应Kalman滤波方法及其在航空矢量重力测量中的应用[D]. 林旭.武汉大学 2014
[3]嵌入式多核处理器设计与实现关键技术研究[D]. 侯宁.合肥工业大学 2012
硕士论文
[1]小型无人机自动驾驶仪硬件设计及姿态算法研究[D]. 宁昭凯.沈阳航空航天大学 2016
[2]小型无人机自驾仪的设计及其控制算法研究[D]. 李森.北京理工大学 2015
[3]地面效应与控制参数对多旋翼无人机飞行性能影响研究[D]. 游安华.南京理工大学 2015
[4]直升机新型反扭矩系统的设计与试验[D]. 吉孟江.南京航空航天大学 2014
[5]多无人机协同任务规划技术[D]. 韩攀.南京航空航天大学 2013
[6]基于数字信号处理器（DSP）的四旋翼无人机自主控制系统研究[D]. 黄国平.天津大学 2012
[7]基于动态逆的无人机控制律设计技术研究[D]. 胡盛华.南京航空航天大学 2012
[8]直升机尾传动系统的横向振动和扭转振动分析[D]. 艾平贵.南京航空航天大学 2009
[9]无人机飞行控制系统的硬件设计与研究[D]. 李晓强.西安理工大学 2008
本文编号：2908428
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