四旋翼无人机控制器的设计及其稳定性研究
发布时间：2021-11-17 00:57
四旋翼无人机凭借其硬件结构简单、价格成本低廉等多种优势,被越来越多地应用于军事侦查、地理测绘、物流配送以及抢险救灾等领域,俨然成为无人机领域里最有发展潜力和最具市场前景的项目。由于四旋翼无人机具有三个位置坐标、三个机体姿态角和四个控制量,是有着六个自由度和四个控制输入的欠驱动系统,所以四旋翼无人机控制系统有非线性、多变量、强耦合等复杂特性。为了解决四旋翼无人机复杂的控制特性所产生的对外部飞行环境干扰敏感的问题,首先对四旋翼无人机的主要硬件模块进行分析和选型,搭建出四旋翼无人机硬件试验平台;然后对四旋翼无人机的基本结构、飞行原理和控制过程进行了深入的分析,并以空气动力学原理为理论基础对四旋翼无人机进行了较为精确的动力学数学建模;设计了位置控制子系统外环、姿态控制子系统内环的整体为双闭环系统控制结构,并分别采用了传统经典PID算法、模糊自适应PID算法以及基于Integral Backstepping（积分反步法）这三种算法设计出三种不同的控制器;最后将三种不同算法的控制器应用到Matlab实验环境下设计出三种完整的四旋翼无人机控制器仿真模型,对三种控制器分别进行了飞行轨迹跟踪实验、自主悬...
【文章来源】：江西理工大学江西省
【文章页数】：90 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
921年研制的大型四旋翼直升机
第一章 绪论1.2 发展历史及国内外研究现状从上个世纪初开始，就有国外的研究人员对四旋翼飞行器进行探索研究，所以从上个世纪初开始四旋翼无人机一共经历了五个历史发展阶段，分别为沉寂期（1990 年以前）、复苏期（1990-2005 年）、起步期（2005-2010 年）、复兴期（2010-2013 年）和爆发期（2013 年至今）。1990 年以前，是发展的沉寂阶段。在 1921 年的美国俄亥俄洲，G.De Bothezat 在美国空军部和其他助手的共同努力下，研制出一架有四个螺旋桨的大型直升飞机，如图 1.1所示。不包括驾驶人员的核载人员为 3 个。研发人员最初的设计飞行高度为 100 米，然而最终这架大型四旋翼直升机的飞行高度仅为 5 米左右，其主要原因是由于发动机的性能不行。1956 年，由 M.K.Adman 设计的第一架真正的四旋翼飞行器 Convertawings Model“A”如图 1.2 所示，这架有着两个 90 马力发动机且重量高达 1 吨的飞机，按照预定的目标试飞成功。
图 1.3 四旋翼无人机 Gyro Saucer 1、Roswe II Flyer 和 Silverlit X-UFO2005 年起到 2010 年的 5 年，是发展的起步阶段。2005 年德国一家名为 MicrodronesGmbH 的公司推出了名为 Md4-200 的四旋翼无人机如图 1.4（左图）所示，2010 年又推出了名为 Md4-1000 的无人机系统。2006 年，德国人 H.Buss 和 I.Busker 主导了一个四轴开源项目 Mikrokopter；美国公司 Draganflyer 也分别在 2004 年和 2008 年推出了Draganflyer IV 四旋翼无人机和达到了工业级别的多旋翼 Draganflyer X6，如图 1.4（右图）所示；2007 年，德国 Ascending Technologies 创立，2016 年被 Intel 收购。在无人机的理论学术研究方面，世界各国关于无人机的研发机构数量以及研发人员的数量呈不断增长的趋势，不断搭建出新的硬件平台，更先进的无人机控制算法出现，并经过飞行试验得到了验证；开始出现基于商业化的四旋翼无人机以及可以捕捉并验证飞行器动作的软件和试验平台[6]。
【参考文献】：
期刊论文
[1]四旋翼无人机悬停飞行自适应PD控制器设计[J]. 李艾棠,谭功全,郭金虎. 四川理工学院学报(自然科学版). 2017(06)
[2]四旋翼无人机的模糊自适应PID控制[J]. 许森. 浙江树人大学学报(自然科学版). 2017(03)
[3]基于积分反步法的四旋翼飞行器轨迹跟踪控制[J]. 石川. 四川理工学院学报(自然科学版). 2017(04)
[4]基于四旋翼飞行器的改进金字塔LK光流算法的研究[J]. 陶宗虎,刘祚时,黄付延,杜人照. 电视技术. 2017(Z2)
[5]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)
[6]改进PID的无人机飞行姿态角控制消颤算法[J]. 陆兴华,詹世尉,余文权,黄臣炜. 传感器与微系统. 2017(03)
[7]多旋翼无人机的嵌入式自主飞行控制系统设计的研究[J]. 朱球辉. 电子测试. 2017(04)
[8]一种基于STM32的微型四旋翼飞行器硬件设计方案[J]. 尹项博,张亚明,王珂,马浩洋,苏一凡. 中小企业管理与科技(下旬刊). 2017(02)
[9]架空输电线路中无人机平台的差异化分析[J]. 刘伟东,李源源,杨鹤猛,武艺,杨丰恺,孔令宇,陈利明. 科技创业月刊. 2017(02)
[10]高超声速飞行器非线性控制研究[J]. 赵贺伟. 海军航空工程学院学报. 2016(06)
硕士论文
[1]基于多传感器信息融合与外形识别的四旋翼飞行器避障算法研究[D]. 杜人照.江西理工大学 2017
[2]旋翼无人机的自适应模糊协同控制[D]. 唐燕华.电子科技大学 2016
[3]四旋翼无人飞行器控制系统设计与实现研究[D]. 张智攀.河北工程大学 2015
[4]四旋翼无人机自主控制系统设计[D]. 冯旭光.内蒙古科技大学 2014
[5]四旋翼无人机飞行控制方法研究[D]. 韩雨桐.东北大学 2014
[6]四旋翼飞行器飞行控制研究[D]. 许云清.厦门大学 2014
[7]四旋翼飞行器飞行控制算法的研究[D]. 凌金福.南昌大学 2013
[8]四旋翼无人飞行器控制系统设计与实现[D]. 王福超.哈尔滨工程大学 2013
[9]无人机地面站系统设计与开发[D]. 张治生.西北工业大学 2007
本文编号：3499910
【文章来源】：江西理工大学江西省
【文章页数】：90 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
921年研制的大型四旋翼直升机
第一章 绪论1.2 发展历史及国内外研究现状从上个世纪初开始，就有国外的研究人员对四旋翼飞行器进行探索研究，所以从上个世纪初开始四旋翼无人机一共经历了五个历史发展阶段，分别为沉寂期（1990 年以前）、复苏期（1990-2005 年）、起步期（2005-2010 年）、复兴期（2010-2013 年）和爆发期（2013 年至今）。1990 年以前，是发展的沉寂阶段。在 1921 年的美国俄亥俄洲，G.De Bothezat 在美国空军部和其他助手的共同努力下，研制出一架有四个螺旋桨的大型直升飞机，如图 1.1所示。不包括驾驶人员的核载人员为 3 个。研发人员最初的设计飞行高度为 100 米，然而最终这架大型四旋翼直升机的飞行高度仅为 5 米左右，其主要原因是由于发动机的性能不行。1956 年，由 M.K.Adman 设计的第一架真正的四旋翼飞行器 Convertawings Model“A”如图 1.2 所示，这架有着两个 90 马力发动机且重量高达 1 吨的飞机，按照预定的目标试飞成功。
图 1.3 四旋翼无人机 Gyro Saucer 1、Roswe II Flyer 和 Silverlit X-UFO2005 年起到 2010 年的 5 年，是发展的起步阶段。2005 年德国一家名为 MicrodronesGmbH 的公司推出了名为 Md4-200 的四旋翼无人机如图 1.4（左图）所示，2010 年又推出了名为 Md4-1000 的无人机系统。2006 年，德国人 H.Buss 和 I.Busker 主导了一个四轴开源项目 Mikrokopter；美国公司 Draganflyer 也分别在 2004 年和 2008 年推出了Draganflyer IV 四旋翼无人机和达到了工业级别的多旋翼 Draganflyer X6，如图 1.4（右图）所示；2007 年，德国 Ascending Technologies 创立，2016 年被 Intel 收购。在无人机的理论学术研究方面，世界各国关于无人机的研发机构数量以及研发人员的数量呈不断增长的趋势，不断搭建出新的硬件平台，更先进的无人机控制算法出现，并经过飞行试验得到了验证；开始出现基于商业化的四旋翼无人机以及可以捕捉并验证飞行器动作的软件和试验平台[6]。
【参考文献】：
期刊论文
[1]四旋翼无人机悬停飞行自适应PD控制器设计[J]. 李艾棠,谭功全,郭金虎. 四川理工学院学报(自然科学版). 2017(06)
[2]四旋翼无人机的模糊自适应PID控制[J]. 许森. 浙江树人大学学报(自然科学版). 2017(03)
[3]基于积分反步法的四旋翼飞行器轨迹跟踪控制[J]. 石川. 四川理工学院学报(自然科学版). 2017(04)
[4]基于四旋翼飞行器的改进金字塔LK光流算法的研究[J]. 陶宗虎,刘祚时,黄付延,杜人照. 电视技术. 2017(Z2)
[5]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)
[6]改进PID的无人机飞行姿态角控制消颤算法[J]. 陆兴华,詹世尉,余文权,黄臣炜. 传感器与微系统. 2017(03)
[7]多旋翼无人机的嵌入式自主飞行控制系统设计的研究[J]. 朱球辉. 电子测试. 2017(04)
[8]一种基于STM32的微型四旋翼飞行器硬件设计方案[J]. 尹项博,张亚明,王珂,马浩洋,苏一凡. 中小企业管理与科技(下旬刊). 2017(02)
[9]架空输电线路中无人机平台的差异化分析[J]. 刘伟东,李源源,杨鹤猛,武艺,杨丰恺,孔令宇,陈利明. 科技创业月刊. 2017(02)
[10]高超声速飞行器非线性控制研究[J]. 赵贺伟. 海军航空工程学院学报. 2016(06)
硕士论文
[1]基于多传感器信息融合与外形识别的四旋翼飞行器避障算法研究[D]. 杜人照.江西理工大学 2017
[2]旋翼无人机的自适应模糊协同控制[D]. 唐燕华.电子科技大学 2016
[3]四旋翼无人飞行器控制系统设计与实现研究[D]. 张智攀.河北工程大学 2015
[4]四旋翼无人机自主控制系统设计[D]. 冯旭光.内蒙古科技大学 2014
[5]四旋翼无人机飞行控制方法研究[D]. 韩雨桐.东北大学 2014
[6]四旋翼飞行器飞行控制研究[D]. 许云清.厦门大学 2014
[7]四旋翼飞行器飞行控制算法的研究[D]. 凌金福.南昌大学 2013
[8]四旋翼无人飞行器控制系统设计与实现[D]. 王福超.哈尔滨工程大学 2013
[9]无人机地面站系统设计与开发[D]. 张治生.西北工业大学 2007
本文编号：3499910
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