贴地飞行四旋翼的研究与设计

发布时间：2021-11-11 06:40

　　四旋翼飞行器凭借其灵活的操纵性、较小的地域局限性等优势,在军事应用、航拍测绘、农业植保以及科学研究等领域得到广泛的应用。本文针对地震灾后人员搜救以及危险环境精确探查的应用,设计一款贴地飞行自主探查无人机,并在以下方面进行了研究与改进。首先,为保证探查有效性,四旋翼定高不仅要贴地还要能够跟随地势起伏。本文采用近地表测距精度较高的超声波传感器测得对地高度,并采用基于系数动态变化的一阶低通滤波处理高度数据,提高数据精度;采用高度-速度双闭环PID控制,提高了定高飞行的抗干扰能力,实现了四旋翼在3cm-50cm的贴地稳定定高。其次,为实现复杂环境的自主探查,要求四旋翼能够跟随给定航线自主飞行。本文采用基于偏航位置、航向速度以及航向角前馈串级PID控制作为核心控制器,并针对存在建模误差和通道耦合的环节采用线性自抗扰（LADRC）控制;在此基础上采用多速率卡尔曼滤波算法进行GPS/INS的数据融合,提高了位置和速度信息精度,实现了四旋翼的跟随给定航线飞行。此外,本文还进行了四旋翼实时避障的研究。针对传统人工势场法存在局部最小点和无法结合预设航线问题,改进了引力线势场和斥力场,提出了基于改进人工势场... 

【文章来源】：武汉科技大学湖北省

【文章页数】：76 页

【学位级别】：硕士

【文章目录】：
摘要
Abstract
第1章 绪论
    1.1 选题背景及意义
    1.2 国内外研究现状
        1.2.1 四旋翼飞行器国内外研究现状
        1.2.2 控制和避障技术研究现状
    1.3 研究内容和创新之处
        1.3.1 研究内容
        1.3.2 创新点
    1.4 章节安排
第2章 四旋翼原理介绍及数学建模
    2.1 四旋翼基本原理介绍
    2.2 动力学方程的建立
        2.2.1 坐标系选取及转换
        2.2.2 动力学建模
    2.3 小结
第3章 基于双闭环PID的贴地定高飞行
    3.1 姿态解算
        3.1.1 四元数与旋转矩阵
        3.1.2 基于互补滤波的姿态解算
    3.2 双闭环PID控制器设计
    3.3 基于系数动态调整低通滤波的高度数据处理
        3.3.1 测距仪的选取
        3.3.2 基于系数动态调整低通滤波的高度数据处理
    3.4 定高结果分析
    3.5 小结
第4章 基于前馈PID和LADRC串级控制的四旋翼导航
    4.1 导航策略
    4.2 线性自抗扰（LADRC）
        4.2.1 ADRC
        4.2.2 基于模型辅助的LADRC
    4.3 基于前馈PID和LADRC串级控制的控制器设计与验证
        4.3.1 控制器设计
        4.3.2 仿真验证
    4.4 基于多速率卡尔曼滤波的GPS/INS数据融合
        4.4.1 卡尔曼滤波算法
        4.4.2 多速率卡尔曼滤波器设计
        4.4.3 仿真分析
    4.5 小结
第5章 基于改进人工势场的四旋翼预设航线三维避障
    5.1 避障策略
    5.2 人工势场法改进
        5.2.1 传统人工势场法的局限性
        5.2.2 线势场的引进和改进
        5.2.3 斥力场的改进
    5.3 Adams仿真
        5.3.1 Adams简介及环境搭建
        5.3.2 引力为定值和变量的对比验证
        5.3.3 引入前馈和速度的线势场对比验证
        5.3.4 基于改进人工势场法的三维避障
    5.4 小结
第6章 四旋翼结构与功能测试
    6.1 四旋翼结构
    6.2 系统功能测试
        6.2.1 高度控制测试
        6.2.2 航线跟随功能测试
        6.2.3 总体功能测试
    6.3 小结
第7章 总结与展望
    7.1 总结
    7.2 展望
致谢
参考文献
附录1 攻读硕士学位期间的科研成果及获奖
附录2 攻读硕士学位期间参加的科研项目



本文编号：3488376