四旋翼飞行器建模与控制器设计
发布时间：2020-12-30 03:43
四旋翼无人机因可垂直起降、结构简单、操作简便等特点获得了迅速发展,在农业植保、警用巡查、影视航拍等领域受到了越来越多的应用,应用价值巨大。本文在介绍四旋翼的国内外研究现状、关键技术后,详细研究了四旋翼的数学建模问题,PID控制器、反步法控制器、自抗扰控制器（ADRC）的设计,然后搭建四旋翼飞行平台,验证PID控制器的有效性。主要研究方法、研究内容和研究成果包括有:一、对四旋翼模型进行建模,分析四旋翼飞行器的结构和飞行原理,得到四旋翼飞行器的动力学模型,并将其表达式变换为仿射非线性模式。二、针对四旋翼的动力学模型,设计PID控制器,并在SIMULINK中搭建仿真模型,进行定点悬停实验、姿态角实验等验证此控制器的有效性。三、针对四旋翼的欠驱动特性,结合四旋翼的动力学模型方程和反步法（Backstepping）控制器理论,设计四旋翼反步法控制器,并进行姿态角实验、定点悬停实验等验证了此控制算法的有效性。四、首先介绍自抗扰控制方法的基础理论,再结合四旋翼的动力学方程,设计四旋翼自抗扰控制器。通过姿态角控制实验可以发现该控制器能够有效实现四旋翼的姿态角增稳控制,然后在该控制器的俯仰通道和横滚通道...
【文章来源】：华东交通大学江西省
【文章页数】：85 页
【学位级别】：硕士
【文章目录】：
摘要
abstract
第一章 绪论
1.1 课题背景及意义
1.2 国内外研究现状
1.3 飞行器设计关键技术
1.4 本文研究内容
1.5 本章小结
第二章 四旋翼的建模与PID控制器仿真
2.1 引言
2.2 四旋翼飞行器的结构和飞行原理
2.2.1 四旋翼飞行器的结构
2.2.2 四旋翼飞行器的飞行原理
2.3 建立四旋翼飞行器模型
2.4 姿态解算理论
2.5 PID控制器设计及仿真
2.5.1 PID控制器的仿真实验
2.5.2 姿态角实验
2.5.3 定点悬停实验
2.5.4 鲁棒性实验
2.5.5 轨迹追踪实验
2.6 本章小结
第三章 反步法控制器的设计与仿真
3.1 引言
3.2 严格反馈系统
3.3 反步法理论
3.3.1 李雅普诺夫稳定性
3.3.2 反步法（Backstepping）算法及稳定性
3.4 反步法（Backstepping）控制器设计
3.4.1 飞行器控制系统设计
3.4.2 反步法（Backstepping）控制器设计
3.5 反步法控制器仿真实验
3.5.1 姿态角控制实验
3.5.2 定点悬停实验
3.5.3 鲁棒性实验
3.6 小结
第四章 四旋翼自抗扰控制器设计与仿真
4.1 引言
4.2 自抗扰控制器基本原理
4.2.1 跟踪微分器（TD）
4.2.2 扩张状态观测器（ESO）
4.2.3 非线性误差反馈率（NLSEF）
4.3 四旋翼PID-ADRC飞行器设计
4.3.1 四旋翼内环ADRC控制器设计
4.3.2 四旋翼外环PID控制器设计
4.4 四旋翼PID-ADRC控制器仿真实验
4.4.1 姿态角控制实验
4.4.2 定点悬停实验
4.4.3 轨迹追踪实验
4.4.4 鲁棒性实验
4.5 小结
第五章 四旋翼飞行器硬件电路设计
5.1 引言
5.2 四旋翼飞行器硬件电路总体方案
5.2.1 微处理器和最小系统
5.2.2 飞行控制系统硬件电路
5.3 系统算法与软件设计
5.4 上位机软件
5.4.1 上位机串口通讯
5.4.2 姿态角和高度曲线查看功能
5.4.3 飞行器3D姿态
5.4.4 PID参数读取、调整
5.5 四旋翼调试实验
5.6 小结
第六章 总结与展望
参考文献
个人简历在读期间发表的学术论文
致谢
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于串级ADRC的四旋翼飞行器悬停控制[J]. 叶孝璐,俞立,张文安,张丹. 中南大学学报(自然科学版). 2017(08)
[2]基于串级PID四旋翼飞行器控制系统研究[J]. 薛佳乐,程珩. 电子技术应用. 2017(05)
[3]基于ADRC的四旋翼无人机姿态控制研究[J]. 钟海鑫,陆倩,丘森辉,罗晓曙. 江西师范大学学报(自然科学版). 2017(01)
[4]基于STM32和OV2640的自主循迹四旋翼飞行器设计[J]. 温全,成天乐,苏泽亚. 微型机与应用. 2016(22)
[5]四旋翼无人飞行器ADRC-GPC控制[J]. 陈增强,李毅,孙明玮,张青,孙青林. 哈尔滨工业大学学报. 2016(09)
[6]基于STM32的四旋翼飞行器姿态解算的研究[J]. 李文鹏,唐海洋. 单片机与嵌入式系统应用. 2016(06)
[7]基于反步法的四旋翼飞行器轨迹跟踪研究[J]. 滕雄,吴怀宇,陈洋,余辉. 计算机仿真. 2016(05)
[8]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)
[9]模糊自整定PID在四旋翼飞行器姿态控制中的应用[J]. 梁雪慧,闫粉粉,邵晓龙. 工业仪表与自动化装置. 2015(06)
[10]四旋翼飞行器的自抗扰飞行控制方法[J]. 刘一莎,杨晟萱,王伟. 控制理论与应用. 2015(10)
硕士论文
[1]四旋翼无人机建模与控制问题研究[D]. 刘昌龙.湖北工业大学 2016
[2]四旋翼飞行器建模与控制方法研究[D]. 罗春光.天津工业大学 2016
[3]基于反步法的四旋翼飞行器控制方法研究[D]. 陈增辉.天津工业大学 2016
[4]基于PID算法的四旋翼姿态控制系统与研究[D]. 王雪冰.西安科技大学 2015
[5]四旋翼飞行器控制与实现[D]. 米培良.大连理工大学 2015
[6]基于反步法的四旋翼飞行器非线性控制[D]. 田聪玲.哈尔滨工业大学 2014
[7]四旋翼飞行器自抗扰控制方法研究[D]. 杨晟萱.大连理工大学 2014
[8]微型四旋翼飞行器的建模与控制系统研究[D]. 杨帆.太原理工大学 2014
[9]基于ADRC的四旋翼飞行控制器设计[D]. 张婷.东北大学 2013
[10]四旋翼飞行器飞行控制算法的研究[D]. 凌金福.南昌大学 2013
本文编号：2946918
【文章来源】：华东交通大学江西省
【文章页数】：85 页
【学位级别】：硕士
【文章目录】：
摘要
abstract
第一章 绪论
1.1 课题背景及意义
1.2 国内外研究现状
1.3 飞行器设计关键技术
1.4 本文研究内容
1.5 本章小结
第二章 四旋翼的建模与PID控制器仿真
2.1 引言
2.2 四旋翼飞行器的结构和飞行原理
2.2.1 四旋翼飞行器的结构
2.2.2 四旋翼飞行器的飞行原理
2.3 建立四旋翼飞行器模型
2.4 姿态解算理论
2.5 PID控制器设计及仿真
2.5.1 PID控制器的仿真实验
2.5.2 姿态角实验
2.5.3 定点悬停实验
2.5.4 鲁棒性实验
2.5.5 轨迹追踪实验
2.6 本章小结
第三章 反步法控制器的设计与仿真
3.1 引言
3.2 严格反馈系统
3.3 反步法理论
3.3.1 李雅普诺夫稳定性
3.3.2 反步法（Backstepping）算法及稳定性
3.4 反步法（Backstepping）控制器设计
3.4.1 飞行器控制系统设计
3.4.2 反步法（Backstepping）控制器设计
3.5 反步法控制器仿真实验
3.5.1 姿态角控制实验
3.5.2 定点悬停实验
3.5.3 鲁棒性实验
3.6 小结
第四章 四旋翼自抗扰控制器设计与仿真
4.1 引言
4.2 自抗扰控制器基本原理
4.2.1 跟踪微分器（TD）
4.2.2 扩张状态观测器（ESO）
4.2.3 非线性误差反馈率（NLSEF）
4.3 四旋翼PID-ADRC飞行器设计
4.3.1 四旋翼内环ADRC控制器设计
4.3.2 四旋翼外环PID控制器设计
4.4 四旋翼PID-ADRC控制器仿真实验
4.4.1 姿态角控制实验
4.4.2 定点悬停实验
4.4.3 轨迹追踪实验
4.4.4 鲁棒性实验
4.5 小结
第五章 四旋翼飞行器硬件电路设计
5.1 引言
5.2 四旋翼飞行器硬件电路总体方案
5.2.1 微处理器和最小系统
5.2.2 飞行控制系统硬件电路
5.3 系统算法与软件设计
5.4 上位机软件
5.4.1 上位机串口通讯
5.4.2 姿态角和高度曲线查看功能
5.4.3 飞行器3D姿态
5.4.4 PID参数读取、调整
5.5 四旋翼调试实验
5.6 小结
第六章 总结与展望
参考文献
个人简历在读期间发表的学术论文
致谢
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于串级ADRC的四旋翼飞行器悬停控制[J]. 叶孝璐,俞立,张文安,张丹. 中南大学学报(自然科学版). 2017(08)
[2]基于串级PID四旋翼飞行器控制系统研究[J]. 薛佳乐,程珩. 电子技术应用. 2017(05)
[3]基于ADRC的四旋翼无人机姿态控制研究[J]. 钟海鑫,陆倩,丘森辉,罗晓曙. 江西师范大学学报(自然科学版). 2017(01)
[4]基于STM32和OV2640的自主循迹四旋翼飞行器设计[J]. 温全,成天乐,苏泽亚. 微型机与应用. 2016(22)
[5]四旋翼无人飞行器ADRC-GPC控制[J]. 陈增强,李毅,孙明玮,张青,孙青林. 哈尔滨工业大学学报. 2016(09)
[6]基于STM32的四旋翼飞行器姿态解算的研究[J]. 李文鹏,唐海洋. 单片机与嵌入式系统应用. 2016(06)
[7]基于反步法的四旋翼飞行器轨迹跟踪研究[J]. 滕雄,吴怀宇,陈洋,余辉. 计算机仿真. 2016(05)
[8]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)
[9]模糊自整定PID在四旋翼飞行器姿态控制中的应用[J]. 梁雪慧,闫粉粉,邵晓龙. 工业仪表与自动化装置. 2015(06)
[10]四旋翼飞行器的自抗扰飞行控制方法[J]. 刘一莎,杨晟萱,王伟. 控制理论与应用. 2015(10)
硕士论文
[1]四旋翼无人机建模与控制问题研究[D]. 刘昌龙.湖北工业大学 2016
[2]四旋翼飞行器建模与控制方法研究[D]. 罗春光.天津工业大学 2016
[3]基于反步法的四旋翼飞行器控制方法研究[D]. 陈增辉.天津工业大学 2016
[4]基于PID算法的四旋翼姿态控制系统与研究[D]. 王雪冰.西安科技大学 2015
[5]四旋翼飞行器控制与实现[D]. 米培良.大连理工大学 2015
[6]基于反步法的四旋翼飞行器非线性控制[D]. 田聪玲.哈尔滨工业大学 2014
[7]四旋翼飞行器自抗扰控制方法研究[D]. 杨晟萱.大连理工大学 2014
[8]微型四旋翼飞行器的建模与控制系统研究[D]. 杨帆.太原理工大学 2014
[9]基于ADRC的四旋翼飞行控制器设计[D]. 张婷.东北大学 2013
[10]四旋翼飞行器飞行控制算法的研究[D]. 凌金福.南昌大学 2013
本文编号：2946918
本文链接：https://www.wllwen.com/kejilunwen/hangkongsky/2946918.html
