共轴八旋翼无人飞行器姿态与航迹跟踪控制研究
发布时间：2021-04-25 19:50
近十几年来，无人飞行器在军事与民用上发挥了重要作用，展现出广泛的应用前景，相关研究工作正日益被科研人员所重视。特别是近些年来受到广泛关注的四旋翼无人飞行器，由于结构简单以及飞行方式灵活成为了无人机领域的一个研究热点。然而，四旋翼飞行器在结构上只有四个驱动单元，其机动能力受到一定的制约。由于其升力与重量的比值小，因此带载能力低，飞行时间短。同时四旋翼无人机没有配置足够的驱动机构冗余，可靠性不高。因此，在本文中提出了一种新型共轴八旋翼无人飞行器，共轴设计保证了该飞行器与四旋翼飞行器具有相同紧凑结构，且增加了四个执行单元，从而使得飞行器的驱动能力与带载能力明显增强，八旋翼系统的鲁棒性也有所提升，另外，共轴设计方案提供了一定的执行机构故障冗余能力，提高了飞行系统的可靠性。本文以共轴八旋翼无人飞行器为研究对象，进行了八旋翼飞行器的姿态与航迹跟踪控制，以及地面控制站软件系统设计的相关工作，为达到自主飞行的最终目标奠定了良好的基础与保障。主要内容包括以下几个方面：对共轴八旋翼无人飞行器的动力学特性进行了研究。分析飞行器的动力学特性并建立动力学模型是进行飞行器姿态与航迹跟踪控制的基础。首先分析八旋翼飞...
【文章来源】：吉林大学吉林省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：127 页
【学位级别】：博士
【文章目录】：
前言
摘要
ABSTRACT
第1章 绪论
1.1 课题的背景以及研究意义
1.1.1 问题提出的背景
1.1.2 课题研究的意义
1.2 多旋翼无人机的国内外研究现状
1.2.1 多旋翼无人机的发展过程
1.2.2 多旋翼无人机的国内研究现状
1.3 共轴八旋翼无人机控制系统相关理论
1.3.1 飞行器姿态稳定与轨迹跟踪控制
1.3.2 执行器饱和控制
1.3.3 无人机地面控制站
1.4 存在的主要问题
1.5 本文的主要内容与结构安排
1.5.1 研究目标及主要任务
1.5.2 科研项目资助情况
1.5.3 论文主要研究问题
1.5.4 论文章节安排
第2章 共轴八旋翼无人机的动力学模型与自主控制系统结构概述
2.1 引言
2.2 共轴八旋翼无人机的结构与飞行原理
2.3 坐标及坐标转换关系
2.3.1 参考坐标系定义
2.3.2 各个坐标系间的转化关系
2.4 共轴八旋翼无人机运动模型的建立
2.4.1 建立共轴八旋翼无人机的动力学方程
2.4.2 建立八旋翼无人机的运动学方程
2.4.3 建立控制关系方程
2.4.4 共轴八旋翼无人机的运动方程组
2.5 共轴八旋翼无人机系统自主控制体系结构
2.6 本章小结
第3章 共轴八旋翼无人机的姿态稳定控制
3.1 引言
3.2 反步滑模控制器的基本设计过程
3.3 基于自适应径向基神经网络的八旋翼无人机反步滑模姿态稳定控制
3.3.1 共轴八旋翼无人机的姿态稳定控制模型
3.3.2 基于自适应径向基神经网络的反步滑模姿态稳定控制算法设计
3.3.3 基于自适应径向基神经网络的反步滑模姿态稳定控制的仿真实验
3.4 本章小结
第4章 共轴八旋翼无人机的航迹跟踪控制
4.1 引言
4.2 共轴八旋翼无人机的粒子群优化自抗扰航迹跟踪控制
4.2.1 基于自抗扰控制器的航迹跟踪控制
4.2.2 基于粒子群算法的自抗扰控制器优化设计
4.2.3 基于粒子群算法的自抗扰航迹跟踪控制仿真实验
4.3 共轴八旋翼无人机的线性自抗扰航迹跟踪控制
4.3.1 基于线性自抗扰控制器的航迹跟踪控制
4.3.2 基于线性自抗扰的共轴八旋翼无人机稳定性分析
4.3.3 基于线性自抗扰的航迹跟踪控制仿真实验
4.4 本章小结
第5章 共轴八旋翼无人机的偏航抗饱和控制
5.1 引言
5.2 共轴八旋翼无人机偏航静态抗饱和控制
5.2.1 基于 LMI 的静态抗饱和补偿器
5.2.2 基于 LADRC 的共轴八旋翼无人机偏航静态抗饱和设计
5.2.3 基于 LADRC 的共轴八旋翼无人机偏航静态抗饱和仿真实验
5.3 共轴八旋翼无人机偏航抗积分饱和控制
5.3.1 基于 PD-VSVCPI 的偏航抗积分饱和控制器设计
5.3.2 基于 PD-VSVCPI 的共轴八旋翼无人机偏航系统稳定性分析
5.3.3 共轴八旋翼无人机偏航抗积分饱和仿真实验
5.4 共轴八旋翼无人机偏航抗积分饱和控制的原型机实现
5.4.1 共轴八旋翼原型机电机转速的计算
5.4.2 共轴八旋翼原型机实验装置
5.4.3 共轴八旋翼无人机偏航抗积分饱和控制的原型机飞行实验
5.5 本章小结
第6章 共轴八旋翼无人机地面控制站软件系统设计与实现
6.1 引言
6.2 地面控制站软件系统总体设计
6.2.1 地面控制站软件系统需求分析
6.2.2 地面控制站软件系统开发环境
6.2.3 地面控制站软件系统的总体结构
6.2.4 地面控制站软件系统的用户界面
6.3 地面控制站软件系统关键技术的实现
6.3.1 串口通信的实现
6.3.2 导航电子地图
6.3.3 飞行任务管理
6.3.4 数据库技术
6.4 地面控制站软件系统测试
6.5 本章小结
第7章 总结与展望
7.1 本文总结与主要创新
7.2 进一步工作与研究展望
参考文献
作者简介及研究成果
致谢
【参考文献】：
期刊论文
[1]无人机地面站发展的分析研究[J]. 卢艳军,刘季为,张晓东. 沈阳航空航天大学学报. 2014(03)
[2]无人旋翼机线性自抗扰航向控制[J]. 彭艳,刘梅,罗均,谢少荣. 仪器仪表学报. 2013(08)
[3]具有积分限制的单神经元PID控制算法[J]. 曲涛,郝彬彬. 航空动力学报. 2013(06)
[4]VC基于ADO技术访问Access数据库[J]. 冯晓星,马晓静. 计算机与网络. 2013(08)
[5]线性自抗扰控制器的稳定性研究[J]. 陈增强,孙明玮,杨瑞光. 自动化学报. 2013(05)
[6]Hex-Rotor无人飞行器及其飞行控制系统设计[J]. 宫勋,白越,赵常均,高庆嘉,彭程,田彦涛. 光学精密工程. 2012(11)
[7]基于线性二次调节器的四旋翼飞行器控制[J]. 张忠民,丛梦苑. 应用科技. 2011(05)
[8]基于Google Earth的人机交互平台设计[J]. 马俊,杨忠,杨成顺,徐玲玲. 应用科技. 2010(07)
[9]基于粒子群算法的自抗扰飞行控制器优化设计[J]. 杨婷婷,李爱军,侯震. 计算机仿真. 2009(09)
[10]浅谈Google Earth二次开发技术[J]. 刘珍,刘建勋. 地理空间信息. 2009(04)
博士论文
[1]多旋翼飞行器建模与飞行控制技术研究[D]. 杨成顺.南京航空航天大学 2013
[2]小型无人直升机鲁棒非线性控制研究[D]. 贺跃帮.华南理工大学 2013
[3]基于视觉的微小型四旋翼飞行器位姿估计研究与实现[D]. 刘晓杰.吉林大学 2009
[4]异步电机自抗扰矢量控制调速系统[D]. 苏位峰.清华大学 2004
[5]微型飞行器中的若干动力学问题研究[D]. 胡宇群.南京航空航天大学 2002
硕士论文
[1]无人机地面控制站软件的研究与设计[D]. 袁继来.浙江大学 2013
[2]基于GoogleEarth的无人机地面站监控系统[D]. 马俊.南京航空航天大学 2011
[3]四旋翼垂直起降机的鲁棒控制问题研究[D]. 姜洋.哈尔滨工业大学 2009
[4]小型无人机地面站的研究与设计[D]. 马少瑛.内蒙古工业大学 2009
[5]四旋翼直升机控制问题研究[D]. 王树刚.哈尔滨工业大学 2006
本文编号：3159990
【文章来源】：吉林大学吉林省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：127 页
【学位级别】：博士
【文章目录】：
前言
摘要
ABSTRACT
第1章 绪论
1.1 课题的背景以及研究意义
1.1.1 问题提出的背景
1.1.2 课题研究的意义
1.2 多旋翼无人机的国内外研究现状
1.2.1 多旋翼无人机的发展过程
1.2.2 多旋翼无人机的国内研究现状
1.3 共轴八旋翼无人机控制系统相关理论
1.3.1 飞行器姿态稳定与轨迹跟踪控制
1.3.2 执行器饱和控制
1.3.3 无人机地面控制站
1.4 存在的主要问题
1.5 本文的主要内容与结构安排
1.5.1 研究目标及主要任务
1.5.2 科研项目资助情况
1.5.3 论文主要研究问题
1.5.4 论文章节安排
第2章 共轴八旋翼无人机的动力学模型与自主控制系统结构概述
2.1 引言
2.2 共轴八旋翼无人机的结构与飞行原理
2.3 坐标及坐标转换关系
2.3.1 参考坐标系定义
2.3.2 各个坐标系间的转化关系
2.4 共轴八旋翼无人机运动模型的建立
2.4.1 建立共轴八旋翼无人机的动力学方程
2.4.2 建立八旋翼无人机的运动学方程
2.4.3 建立控制关系方程
2.4.4 共轴八旋翼无人机的运动方程组
2.5 共轴八旋翼无人机系统自主控制体系结构
2.6 本章小结
第3章 共轴八旋翼无人机的姿态稳定控制
3.1 引言
3.2 反步滑模控制器的基本设计过程
3.3 基于自适应径向基神经网络的八旋翼无人机反步滑模姿态稳定控制
3.3.1 共轴八旋翼无人机的姿态稳定控制模型
3.3.2 基于自适应径向基神经网络的反步滑模姿态稳定控制算法设计
3.3.3 基于自适应径向基神经网络的反步滑模姿态稳定控制的仿真实验
3.4 本章小结
第4章 共轴八旋翼无人机的航迹跟踪控制
4.1 引言
4.2 共轴八旋翼无人机的粒子群优化自抗扰航迹跟踪控制
4.2.1 基于自抗扰控制器的航迹跟踪控制
4.2.2 基于粒子群算法的自抗扰控制器优化设计
4.2.3 基于粒子群算法的自抗扰航迹跟踪控制仿真实验
4.3 共轴八旋翼无人机的线性自抗扰航迹跟踪控制
4.3.1 基于线性自抗扰控制器的航迹跟踪控制
4.3.2 基于线性自抗扰的共轴八旋翼无人机稳定性分析
4.3.3 基于线性自抗扰的航迹跟踪控制仿真实验
4.4 本章小结
第5章 共轴八旋翼无人机的偏航抗饱和控制
5.1 引言
5.2 共轴八旋翼无人机偏航静态抗饱和控制
5.2.1 基于 LMI 的静态抗饱和补偿器
5.2.2 基于 LADRC 的共轴八旋翼无人机偏航静态抗饱和设计
5.2.3 基于 LADRC 的共轴八旋翼无人机偏航静态抗饱和仿真实验
5.3 共轴八旋翼无人机偏航抗积分饱和控制
5.3.1 基于 PD-VSVCPI 的偏航抗积分饱和控制器设计
5.3.2 基于 PD-VSVCPI 的共轴八旋翼无人机偏航系统稳定性分析
5.3.3 共轴八旋翼无人机偏航抗积分饱和仿真实验
5.4 共轴八旋翼无人机偏航抗积分饱和控制的原型机实现
5.4.1 共轴八旋翼原型机电机转速的计算
5.4.2 共轴八旋翼原型机实验装置
5.4.3 共轴八旋翼无人机偏航抗积分饱和控制的原型机飞行实验
5.5 本章小结
第6章 共轴八旋翼无人机地面控制站软件系统设计与实现
6.1 引言
6.2 地面控制站软件系统总体设计
6.2.1 地面控制站软件系统需求分析
6.2.2 地面控制站软件系统开发环境
6.2.3 地面控制站软件系统的总体结构
6.2.4 地面控制站软件系统的用户界面
6.3 地面控制站软件系统关键技术的实现
6.3.1 串口通信的实现
6.3.2 导航电子地图
6.3.3 飞行任务管理
6.3.4 数据库技术
6.4 地面控制站软件系统测试
6.5 本章小结
第7章 总结与展望
7.1 本文总结与主要创新
7.2 进一步工作与研究展望
参考文献
作者简介及研究成果
致谢
【参考文献】：
期刊论文
[1]无人机地面站发展的分析研究[J]. 卢艳军,刘季为,张晓东. 沈阳航空航天大学学报. 2014(03)
[2]无人旋翼机线性自抗扰航向控制[J]. 彭艳,刘梅,罗均,谢少荣. 仪器仪表学报. 2013(08)
[3]具有积分限制的单神经元PID控制算法[J]. 曲涛,郝彬彬. 航空动力学报. 2013(06)
[4]VC基于ADO技术访问Access数据库[J]. 冯晓星,马晓静. 计算机与网络. 2013(08)
[5]线性自抗扰控制器的稳定性研究[J]. 陈增强,孙明玮,杨瑞光. 自动化学报. 2013(05)
[6]Hex-Rotor无人飞行器及其飞行控制系统设计[J]. 宫勋,白越,赵常均,高庆嘉,彭程,田彦涛. 光学精密工程. 2012(11)
[7]基于线性二次调节器的四旋翼飞行器控制[J]. 张忠民,丛梦苑. 应用科技. 2011(05)
[8]基于Google Earth的人机交互平台设计[J]. 马俊,杨忠,杨成顺,徐玲玲. 应用科技. 2010(07)
[9]基于粒子群算法的自抗扰飞行控制器优化设计[J]. 杨婷婷,李爱军,侯震. 计算机仿真. 2009(09)
[10]浅谈Google Earth二次开发技术[J]. 刘珍,刘建勋. 地理空间信息. 2009(04)
博士论文
[1]多旋翼飞行器建模与飞行控制技术研究[D]. 杨成顺.南京航空航天大学 2013
[2]小型无人直升机鲁棒非线性控制研究[D]. 贺跃帮.华南理工大学 2013
[3]基于视觉的微小型四旋翼飞行器位姿估计研究与实现[D]. 刘晓杰.吉林大学 2009
[4]异步电机自抗扰矢量控制调速系统[D]. 苏位峰.清华大学 2004
[5]微型飞行器中的若干动力学问题研究[D]. 胡宇群.南京航空航天大学 2002
硕士论文
[1]无人机地面控制站软件的研究与设计[D]. 袁继来.浙江大学 2013
[2]基于GoogleEarth的无人机地面站监控系统[D]. 马俊.南京航空航天大学 2011
[3]四旋翼垂直起降机的鲁棒控制问题研究[D]. 姜洋.哈尔滨工业大学 2009
[4]小型无人机地面站的研究与设计[D]. 马少瑛.内蒙古工业大学 2009
[5]四旋翼直升机控制问题研究[D]. 王树刚.哈尔滨工业大学 2006
本文编号：3159990
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