基于SimMechanics的四旋翼无人机建模仿真与控制研究
发布时间：2021-06-01 07:57
四旋翼无人机是一种典型的集强耦合和非线性等特性为一体的旋翼式无人机。目前,针对无人机的研究主要包括系统结构设计、模型建立、控制算法和路径规划等方面。四旋翼无人机系统作为一种欠驱动的非线性系统,在无人机飞行过程中,其系统参数容易受到外界环境因素的影响,要搭建准确的无人机数学模型较为困难的,目前,在搭建无人机系统模型的时大多采用Newton-Euler法建立四旋翼无人机六自由度的运动学和动力学模型,在建立模型的过程中需要进行约束条件的假设以及模型的简化,才能得到四旋翼无人机的运动学和动力学模型。为了解决四旋翼无人机数学模型推导复杂的问题,本文采用Matlab/SimMechanics工具建模的方式,将四旋翼无人机的三维物理模型转化为可以进行仿真分析的Simulink仿真模型。SimMechanics与Newton-Euler法建立四旋翼无人机数学模型的方式相比,大大简化了数学模型的推导过程。针对四旋翼无人机在飞行过程中容易受到外界干扰影响的问题,本文对模糊PID控制算法进行了研究,并将模糊PID控制算法应用到了四旋翼无人机姿态控制中,进行了仿真分析和实验验证。本文所做的主要工作如下:1.搭...
【文章来源】：西南交通大学四川省 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：77 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
“全球鹰”实物图
西南交通大学硕士研究生学位论文第3页随着电子技术、通信技术以、控制技术和新型材料的不断发展，旋翼式无人机的瓶颈被逐步打破，较为复杂的旋翼式无人机的工程问题有了清晰的解决方式，这也促使了旋翼式无人机成为一个新的研究热点。近几年来，随着旋翼式无人机技术的不断发展，旋翼式无人机也逐渐被用于军用和民用方面。在军事方面，旋翼式无人机可用于战场侦查、物资运输、抢险救灾等方面；在民用方面，旋翼式无人机可应用于空中摄影、电路巡检、快递投放、农业植保以及地图测绘等方面。旋翼式无人机最初在民用领域的应用中即是用于航空拍摄，在无人机航拍领域目前做得最好的无异于深圳的“大疆”公司，在消费级航拍无人机中，大疆公司推出了MAVIC系列无人机，该系列无人机可进行跟随拍摄，MAVIC无人机采用FOC正弦波驱动架构电调及8331螺旋桨，显著的提高了无人机的飞行效率，续航时间可达30分钟，且大大降低了旋翼无人机飞行时的噪声。在专业级航拍无人机中，大疆公司推出了“悟”Inspire系列无人机，该系列无人机搭载了DJI3512电机并配备了DJI1550T螺旋桨，0-80KM/h仅需5秒，最大飞行速度可达94KM/h。为了保证飞行安全，Inspire系列无人机采用了冗余结构设计，对于IMU，气压计等飞行安全部件均进行了双冗余设计，且配备了环境感知系统，大大提高了无人机的飞行安全。图1-2MAVIC图1-3“悟”系列无人机
西南交通大学硕士研究生学位论文第5页1.3.1国外发展现状无人机的早期研究主要集中在发达国家，且主要集中在高校。如美国宾夕法尼亚大学、瑞士联邦理工学院、法国贡比涅技术大学、美国斯坦福大学等[1]。下面，本文分别对他们的研究成果进行概括综述。1）宾夕法尼亚大学该校的GRASP实验室致力于研究无人机的应用方面。例如将视觉技术与控制技术相结合，提出了一种基于视觉反馈控制测量方法。在该方法中，通过相机来采集无人机上的姿态位置标志，通过图像处理手段以及气压计、磁力计、六轴姿态传感器和GPS等传感器的数据，实现四旋翼无人机定位以及姿态检测。同时该团队又将双目视觉技术应用到无人机上，实现了对无人机的六自由度姿态估计。该方法相对于传统方法有着更高的精度且对检测图像上面的噪声有着更优秀的鲁棒性[2][3]，如图1-4所示。图1-4宾夕法尼亚大学GRASP实验室的无人机2）瑞士联邦理工学院该校以Bouabdallah教授所属的团队为代表，该团队一共开发了OS-I和OS-II两代产品。该团队提出将无人机的控制分为外回路和内回路，并为其分别设计姿态控制器和位置控制器。实验结果表明该方法能够有效地控制无人机的位置和姿态，但存在一定地延迟。同时，该团队分别将经典PID和现代控制LQ策略用于无人机上发现，经典地PID方法相对于现代控制LQ策略所取得的效果更优。Bounabdallah认为产生该现象的原因是没有考虑执行机构与推进组之间的差异。此外，该团队在研究过程中发现，无人机作为一个非线性的机电系统，使用经典PID方法控制无人机姿态时，在小角度时控制效果较为理想，但随着其姿态角超过一定范围后，PID的控制效果被大大削减。并对了滑膜控制和反演控制在无人机上的效果，结果表明滑模控制效果不理想，特别
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于无人机影像的煤场工程量监测分析[J]. 李健,徐旭. 常州大学学报(自然科学版). 2019(02)
[2]基于四元数互补滤波的小型四旋翼姿态解算[J]. 李二闯,张建杰,袁亮,吴金强. 组合机床与自动化加工技术. 2019(03)
[3]小型消费级无人机在获取大比例尺地形数据中的应用研究[J]. 姬洪亮. 价值工程. 2019(08)
[4]Human-Robot Interface for Unmanned Aerial Vehicle via a Leap Motion[J]. Mingxuan Chen,Caibing Liu,Guanglong Du,Ping Zhang. Journal of Beijing Institute of Technology. 2019(01)
[5]自抗扰PID四旋翼飞行器控制方法研究[J]. 张小明,于纪言,王坤坤. 电子技术应用. 2019(03)
[6]一种共轴双旋翼飞行器悬停控制联合仿真[J]. 陈汉,李科伟,邓宏彬,危怡然,赵瑾. 兵工学报. 2019(02)
[7]Switching disturbance rejection attitude control of near space vehicles with variable structure[J]. GONG Ligang,WANG Qing,DONG Chaoyang. Journal of Systems Engineering and Electronics. 2019(01)
[8]一种改进的四旋翼飞行器建模方法[J]. 刘士超,吕品,赖际舟,包胜. 导航与控制. 2019(01)
[9]四旋翼无人机自主飞行系统优化设计与实现[J]. 陈钊,年晓红,熊红云,周文孝. 控制与信息技术. 2019(01)
[10]关于多旋翼无人机航时估算与优化的研究[J]. 范雨嘉. 通讯世界. 2019(02)
硕士论文
[1]四轴飞行器飞控系统的设计和研究[D]. 李强.南昌大学 2018
[2]四旋翼无人机姿态分析[D]. 丁子健.华北水利水电大学 2018
[3]基于backstepping方法的电力系统非线性控制设计[D]. 权婉珍.东北电力大学 2018
[4]四旋翼吊挂系统负载摆动抑制研究[D]. 吴超凡.渤海大学 2018
[5]单自由度扑翼机及其推重比的研究[D]. 陈桂安.广西大学 2018
[6]自主无人机飞行控制系统设计和实现[D]. 徐健.广西大学 2018
[7]基于STM32单片机的自主飞行的四旋翼系统设计及算法研究[D]. 吕玉恒.辽宁工程技术大学 2018
[8]双陀螺效应结构动力学研究[D]. 杨继厚.北京工业大学 2018
[9]四旋翼无人机自抗扰飞行控制研究[D]. 王向磊.西南科技大学 2018
[10]基于改进PSO-PID算法的四轴飞行器飞控系统研究[D]. 康日晖.太原理工大学 2018
本文编号：3209990
【文章来源】：西南交通大学四川省 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：77 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
“全球鹰”实物图
西南交通大学硕士研究生学位论文第3页随着电子技术、通信技术以、控制技术和新型材料的不断发展，旋翼式无人机的瓶颈被逐步打破，较为复杂的旋翼式无人机的工程问题有了清晰的解决方式，这也促使了旋翼式无人机成为一个新的研究热点。近几年来，随着旋翼式无人机技术的不断发展，旋翼式无人机也逐渐被用于军用和民用方面。在军事方面，旋翼式无人机可用于战场侦查、物资运输、抢险救灾等方面；在民用方面，旋翼式无人机可应用于空中摄影、电路巡检、快递投放、农业植保以及地图测绘等方面。旋翼式无人机最初在民用领域的应用中即是用于航空拍摄，在无人机航拍领域目前做得最好的无异于深圳的“大疆”公司，在消费级航拍无人机中，大疆公司推出了MAVIC系列无人机，该系列无人机可进行跟随拍摄，MAVIC无人机采用FOC正弦波驱动架构电调及8331螺旋桨，显著的提高了无人机的飞行效率，续航时间可达30分钟，且大大降低了旋翼无人机飞行时的噪声。在专业级航拍无人机中，大疆公司推出了“悟”Inspire系列无人机，该系列无人机搭载了DJI3512电机并配备了DJI1550T螺旋桨，0-80KM/h仅需5秒，最大飞行速度可达94KM/h。为了保证飞行安全，Inspire系列无人机采用了冗余结构设计，对于IMU，气压计等飞行安全部件均进行了双冗余设计，且配备了环境感知系统，大大提高了无人机的飞行安全。图1-2MAVIC图1-3“悟”系列无人机
西南交通大学硕士研究生学位论文第5页1.3.1国外发展现状无人机的早期研究主要集中在发达国家，且主要集中在高校。如美国宾夕法尼亚大学、瑞士联邦理工学院、法国贡比涅技术大学、美国斯坦福大学等[1]。下面，本文分别对他们的研究成果进行概括综述。1）宾夕法尼亚大学该校的GRASP实验室致力于研究无人机的应用方面。例如将视觉技术与控制技术相结合，提出了一种基于视觉反馈控制测量方法。在该方法中，通过相机来采集无人机上的姿态位置标志，通过图像处理手段以及气压计、磁力计、六轴姿态传感器和GPS等传感器的数据，实现四旋翼无人机定位以及姿态检测。同时该团队又将双目视觉技术应用到无人机上，实现了对无人机的六自由度姿态估计。该方法相对于传统方法有着更高的精度且对检测图像上面的噪声有着更优秀的鲁棒性[2][3]，如图1-4所示。图1-4宾夕法尼亚大学GRASP实验室的无人机2）瑞士联邦理工学院该校以Bouabdallah教授所属的团队为代表，该团队一共开发了OS-I和OS-II两代产品。该团队提出将无人机的控制分为外回路和内回路，并为其分别设计姿态控制器和位置控制器。实验结果表明该方法能够有效地控制无人机的位置和姿态，但存在一定地延迟。同时，该团队分别将经典PID和现代控制LQ策略用于无人机上发现，经典地PID方法相对于现代控制LQ策略所取得的效果更优。Bounabdallah认为产生该现象的原因是没有考虑执行机构与推进组之间的差异。此外，该团队在研究过程中发现，无人机作为一个非线性的机电系统，使用经典PID方法控制无人机姿态时，在小角度时控制效果较为理想，但随着其姿态角超过一定范围后，PID的控制效果被大大削减。并对了滑膜控制和反演控制在无人机上的效果，结果表明滑模控制效果不理想，特别
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于无人机影像的煤场工程量监测分析[J]. 李健,徐旭. 常州大学学报(自然科学版). 2019(02)
[2]基于四元数互补滤波的小型四旋翼姿态解算[J]. 李二闯,张建杰,袁亮,吴金强. 组合机床与自动化加工技术. 2019(03)
[3]小型消费级无人机在获取大比例尺地形数据中的应用研究[J]. 姬洪亮. 价值工程. 2019(08)
[4]Human-Robot Interface for Unmanned Aerial Vehicle via a Leap Motion[J]. Mingxuan Chen,Caibing Liu,Guanglong Du,Ping Zhang. Journal of Beijing Institute of Technology. 2019(01)
[5]自抗扰PID四旋翼飞行器控制方法研究[J]. 张小明,于纪言,王坤坤. 电子技术应用. 2019(03)
[6]一种共轴双旋翼飞行器悬停控制联合仿真[J]. 陈汉,李科伟,邓宏彬,危怡然,赵瑾. 兵工学报. 2019(02)
[7]Switching disturbance rejection attitude control of near space vehicles with variable structure[J]. GONG Ligang,WANG Qing,DONG Chaoyang. Journal of Systems Engineering and Electronics. 2019(01)
[8]一种改进的四旋翼飞行器建模方法[J]. 刘士超,吕品,赖际舟,包胜. 导航与控制. 2019(01)
[9]四旋翼无人机自主飞行系统优化设计与实现[J]. 陈钊,年晓红,熊红云,周文孝. 控制与信息技术. 2019(01)
[10]关于多旋翼无人机航时估算与优化的研究[J]. 范雨嘉. 通讯世界. 2019(02)
硕士论文
[1]四轴飞行器飞控系统的设计和研究[D]. 李强.南昌大学 2018
[2]四旋翼无人机姿态分析[D]. 丁子健.华北水利水电大学 2018
[3]基于backstepping方法的电力系统非线性控制设计[D]. 权婉珍.东北电力大学 2018
[4]四旋翼吊挂系统负载摆动抑制研究[D]. 吴超凡.渤海大学 2018
[5]单自由度扑翼机及其推重比的研究[D]. 陈桂安.广西大学 2018
[6]自主无人机飞行控制系统设计和实现[D]. 徐健.广西大学 2018
[7]基于STM32单片机的自主飞行的四旋翼系统设计及算法研究[D]. 吕玉恒.辽宁工程技术大学 2018
[8]双陀螺效应结构动力学研究[D]. 杨继厚.北京工业大学 2018
[9]四旋翼无人机自抗扰飞行控制研究[D]. 王向磊.西南科技大学 2018
[10]基于改进PSO-PID算法的四轴飞行器飞控系统研究[D]. 康日晖.太原理工大学 2018
本文编号：3209990
本文链接：https://www.wllwen.com/kejilunwen/hangkongsky/3209990.html
