基于抗外部干扰的四旋翼无人机姿态解算与飞行控制研究
发布时间：2022-08-02 11:21
四旋翼无人机因体积小、灵活机动、负载能力较强且成本低等诸多优势而广泛应用于民用和军事领域。四旋翼无人机是一个欠驱动、强耦合的非线性系统,执行特殊任务时会受到运动加速度和磁场干扰,对姿态解算精度产生严重影响,且飞行时极易受到风场干扰,影响系统鲁棒性和轨迹跟踪精度。为了提高姿态解算对运动加速度和磁干扰的抑制能力以及飞行控制器的抗风性能,本文围绕姿态解算和飞行控制两大方面展开了抗扰研究。论文的主要内容如下:（1）针对四旋翼无人机系统具有欠驱动、强耦合和非线性特性,采用牛顿-欧拉法推导并建立了非线性动力学模型和运动学模型。为探究四旋翼无人机飞行控制器的抗风性能,建立了风切变和Dryden大气紊流数学模型,两者叠加并运用空气动力学导入非线性动力学模型,得到了带有风扰因子的动力学模型。（2）考虑到MEMS传感器误差,建立了误差模型并进行了误差标定校正。由于单传感器估算姿态不准确,为了提高姿态解算精度,分别设计了基于互补滤波和梯度下降原理的姿态解算算法。考虑到固定步长影响梯度下降法性能,采用了Nesterov加速梯度融合9轴传感器数据,同时为了提高姿态解算对运动加速度和磁干扰的抑制能力,结合模糊控制...
【文章页数】：93 页
【学位级别】：硕士
【文章目录】：
摘要
Abstract
第1章 引言
1.1 课题研究背景及意义
1.1.1 无人机定义与分类
1.1.2 四旋翼无人机应用领域
1.1.3 研究目的及意义
1.2 四旋翼无人机国内外发展现状
1.3 四旋翼无人机姿态解算与飞行控制研究现状
1.3.1 姿态解算研究现状
1.3.2 飞行控制研究现状
1.4 研究内容与结构安排
第2章 风扰下四旋翼无人机动力学建模
2.1 四旋翼无人机结构组成及飞行原理
2.1.1 一般化结构组成
2.1.2 飞行原理
2.2 姿态描述及坐标变换
2.2.1 坐标系及欧拉角定义
2.2.2 坐标变换
2.3 四旋翼无人机系统模型建立
2.3.1 动力学建模
2.3.2 运动学建模
2.3.3 动力学模型简化
2.4 风场下四旋翼无人机动力学建模
2.4.1 风场建模
2.4.2 风场下动力学建模
2.5 本章小结
第3章 模糊Nesterov加速梯度姿态解算算法设计
3.1 MEMS传感器误差建模及校正
3.1.1 陀螺仪误差建模及校正
3.1.2 加速度计误差建模及校正
3.1.3 磁力计误差建模及校正
3.2 基于四元数法的姿态解算模型
3.2.1 四元数定义及旋转矩阵
3.2.2 四元数与欧拉角相互转换
3.2.3 基于四元数法的姿态更新
3.3 互补滤波姿态解算算法设计
3.3.1 互补滤波器原理
3.3.2 互补滤波姿态解算融合定姿
3.4 梯度下降姿态解算算法设计
3.4.1 梯度下降原理
3.4.2 梯度下降姿态解算融合定姿
3.5 基于模糊控制的Nesterov加速梯度姿态解算算法设计
3.5.1 Nesterov加速梯度分析
3.5.2 基于模糊控制的Nesterov加速梯度姿态解算融合定姿
3.6 实验结果与分析
3.6.1 实验平台搭建
3.6.2 结果与分析
3.7 本章小结
第4章 基于经典PID与滑模控制的四旋翼无人机控制器设计
4.1 基于经典PID的控制器设计
4.1.1 PID控制原理
4.1.2 系统控制器结构分析
4.1.3 位置子系统控制器设计
4.1.4 姿态子系统控制器设计
4.2 基于滑模控制的控制器设计
4.2.1 滑模控制原理
4.2.2 位置控制器设计
4.2.3 姿态控制器设计
4.3 仿真实验结果与分析
4.3.1 系统仿真模型与参数
4.3.2 结果与分析
4.4 本章小结
第5章 基于ESO-DISMC的四旋翼无人机控制器设计
5.1 基于双幂次趋近律抖振抑制
5.1.1 滑模控制器抖振分析
5.1.2 双幂次趋近律特性分析
5.2 扩张状态观测器
5.3 基于ESO-DISMC的控制器设计
5.3.1 位置控制器设计
5.3.2 姿态控制器设计
5.3.3 基于ESO扰动观测与反馈补偿
5.4 仿真实验结果与分析
5.4.1 系统仿真模型与参数
5.4.2 仿真结果与分析
5.5 本章小结
第6章 总结与展望
6.1 论文总结
6.2 工作展望
参考文献
致谢
附录 攻读硕士学位期间研究成果
本文编号：3668425
【文章页数】：93 页
【学位级别】：硕士
【文章目录】：
摘要
Abstract
第1章 引言
1.1 课题研究背景及意义
1.1.1 无人机定义与分类
1.1.2 四旋翼无人机应用领域
1.1.3 研究目的及意义
1.2 四旋翼无人机国内外发展现状
1.3 四旋翼无人机姿态解算与飞行控制研究现状
1.3.1 姿态解算研究现状
1.3.2 飞行控制研究现状
1.4 研究内容与结构安排
第2章 风扰下四旋翼无人机动力学建模
2.1 四旋翼无人机结构组成及飞行原理
2.1.1 一般化结构组成
2.1.2 飞行原理
2.2 姿态描述及坐标变换
2.2.1 坐标系及欧拉角定义
2.2.2 坐标变换
2.3 四旋翼无人机系统模型建立
2.3.1 动力学建模
2.3.2 运动学建模
2.3.3 动力学模型简化
2.4 风场下四旋翼无人机动力学建模
2.4.1 风场建模
2.4.2 风场下动力学建模
2.5 本章小结
第3章 模糊Nesterov加速梯度姿态解算算法设计
3.1 MEMS传感器误差建模及校正
3.1.1 陀螺仪误差建模及校正
3.1.2 加速度计误差建模及校正
3.1.3 磁力计误差建模及校正
3.2 基于四元数法的姿态解算模型
3.2.1 四元数定义及旋转矩阵
3.2.2 四元数与欧拉角相互转换
3.2.3 基于四元数法的姿态更新
3.3 互补滤波姿态解算算法设计
3.3.1 互补滤波器原理
3.3.2 互补滤波姿态解算融合定姿
3.4 梯度下降姿态解算算法设计
3.4.1 梯度下降原理
3.4.2 梯度下降姿态解算融合定姿
3.5 基于模糊控制的Nesterov加速梯度姿态解算算法设计
3.5.1 Nesterov加速梯度分析
3.5.2 基于模糊控制的Nesterov加速梯度姿态解算融合定姿
3.6 实验结果与分析
3.6.1 实验平台搭建
3.6.2 结果与分析
3.7 本章小结
第4章 基于经典PID与滑模控制的四旋翼无人机控制器设计
4.1 基于经典PID的控制器设计
4.1.1 PID控制原理
4.1.2 系统控制器结构分析
4.1.3 位置子系统控制器设计
4.1.4 姿态子系统控制器设计
4.2 基于滑模控制的控制器设计
4.2.1 滑模控制原理
4.2.2 位置控制器设计
4.2.3 姿态控制器设计
4.3 仿真实验结果与分析
4.3.1 系统仿真模型与参数
4.3.2 结果与分析
4.4 本章小结
第5章 基于ESO-DISMC的四旋翼无人机控制器设计
5.1 基于双幂次趋近律抖振抑制
5.1.1 滑模控制器抖振分析
5.1.2 双幂次趋近律特性分析
5.2 扩张状态观测器
5.3 基于ESO-DISMC的控制器设计
5.3.1 位置控制器设计
5.3.2 姿态控制器设计
5.3.3 基于ESO扰动观测与反馈补偿
5.4 仿真实验结果与分析
5.4.1 系统仿真模型与参数
5.4.2 仿真结果与分析
5.5 本章小结
第6章 总结与展望
6.1 论文总结
6.2 工作展望
参考文献
致谢
附录 攻读硕士学位期间研究成果
本文编号：3668425
本文链接：https://www.wllwen.com/kejilunwen/hangkongsky/3668425.html
