基于Bebop Drone四旋翼无人机的飞行控制和轨迹生成研究

发布时间：2021-01-08 19:46

　　具有结构简单、高机动性和起降灵活等优点,四旋翼无人机在军用和民用领域得到了广泛的应用。而本质非线性、欠驱动、强耦合、对内外扰动敏感等特性,四旋翼无人机的底层飞行控制器设计是个巨大的挑战。此外,随着应用领域的拓宽,为了提高无人机飞行的稳定性、自主性,三维空间内的轨迹跟踪以及光滑轨迹生成也是亟需解决的问题。针对上述问题,本文主要研究了四旋翼无人机的飞行控制和轨迹生成算法。首先,采用理论建模的方法,建立四旋翼无人机以及低空风场的模型,并完成了Bebop Drone模型参数化。无人机数学模型能精确地描述系统的动态特性和基本运动情况;低空风场模型能真实反映室外飞行环境。其次,在风场扰动的作用下,基于Bebop Drone无人机的数学模型,设计了两种底层飞行控制器,即改进的级联式PID控制器和新颖的压制法非线性控制器。在MATLAB平台下进行了数值仿真实验,结果表明设计的两种控制器都能很好地镇定无人机系统,且控制器的性能和精度均有所提高。接着,基于开源的Bebop Drone平台,设计了一种形式简单、易于实现的位置控制器,并设计完成系统辨识和轨迹跟踪飞行实验。系统辨识的模型与实际系统拟合度高,且模... 

【文章来源】：东南大学江苏省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校

【文章页数】：89 页

【学位级别】：硕士

【部分图文】：

四旋翼无人机系统结构

第二章 四旋翼无人机与风场建模手定则确定BY 轴。E 系常用来确定无人机在空间中的位置和轨迹控制；B 系常用来无人机的力、力矩和旋转运动。分析旋转运动时，可以通过欧拉角、旋转矩阵、四元数[19]等方法来表示姿态，本用欧拉角表示，见图 2-4。欧拉角（姿态角），分别是横滚角、俯仰角和偏航角。无沿BX 轴方向旋转，无人机的对称面绕机体轴转过的角度称为横滚角，记作 rad右滚转为正。无人机沿BY 轴方向旋转，机体轴与地平面之间的夹角称为俯仰角，记 [ rad]，抬头为正。无人机沿BZ 轴方向旋转，机体轴在地平面的投影与地轴之间的称为偏航角，记作 rad ，机头向右偏航为正。

第二章 四旋翼无人机与风场建模手定则确定BY 轴。E 系常用来确定无人机在空间中的位置和轨迹控制；B 系常用来无人机的力、力矩和旋转运动。分析旋转运动时，可以通过欧拉角、旋转矩阵、四元数[19]等方法来表示姿态，本用欧拉角表示，见图 2-4。欧拉角（姿态角），分别是横滚角、俯仰角和偏航角。无沿BX 轴方向旋转，无人机的对称面绕机体轴转过的角度称为横滚角，记作 rad右滚转为正。无人机沿BY 轴方向旋转，机体轴与地平面之间的夹角称为俯仰角，记 [ rad]，抬头为正。无人机沿BZ 轴方向旋转，机体轴在地平面的投影与地轴之间的称为偏航角，记作 rad ，机头向右偏航为正。

【参考文献】：
期刊论文
[1]基于二维自由空间的无人机实时航迹规划[J]. 夏春华.  科技情报开发与经济. 2011(29)
[2]分段连续三次Bezier曲线控制点的构造算法[J]. 王家润,赵南松,华文元,王玉玫.  计算机工程与应用. 2010(22)
[3]基于B样条曲线的无人机航路规划算法[J]. 马云红,周德云.  飞行力学. 2004(02)
[4]一种改进的紊流风模型及其仿真算法[J]. 屈香菊,李勇.  系统仿真学报. 2004(01)
[5]三次均匀B样条曲线的扩展[J]. 韩旭里,刘圣军.  计算机辅助设计与图形学学报. 2003(05)

博士论文
[1]四旋翼飞行机器人高性能轨迹生成与抗扰追踪控制技术研究[D]. 董伟.上海交通大学 2015



本文编号：2965191