X750四旋翼飞行器建模与飞行控制研究

发布时间：2017-05-16 13:14

  本文关键词：X750四旋翼飞行器建模与飞行控制研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：四旋翼飞行器在工农业、军事领域以及日常生活中展现出越来越多的用途,因此关于四旋翼飞行器的研究工作愈来愈受到人们的关注,飞行器的硬件平台和作为飞行器核心的飞控系统整体,均是无人机领域研究的重点问题。 本文首先介绍了四旋翼飞行器的基本工作原理、坐标系的设定、坐标系间的变换以及四旋翼飞行器工作中涉及到的动力学与运动学知识。基于以上知识,自己搭建X750四旋翼飞行器平台,利用牛顿-欧拉法建立了该四旋翼飞行器的数学模型,并且对数学模型中涉及到的所有未知参数,利用试验测量的方法进行了辨识,采用小扰动法对所建立的数学模型进行了线性化处理,得到了能够进行飞行前用于仿真的数学模型。 然后,文章运用线性二次型(LQR)与基于滑模干扰观测器的滑模控制(SMC-SMDO),分别设计了四旋翼飞行器的飞行控制律,并通过MATLAB软件仿真论证。在进行飞行器的控制器设计时,为了解决位移变量与姿态变量间时标尺度的差异性问题,刻意采取了双环嵌套控制的方案。通过仿真分析可知,以上两种控制算法均具有很好的稳定性,而SMC-SMDO控制器的鲁棒性更好。 最后,根据飞行器匹配原则,选取各功能模块搭建四旋翼飞行器平台,并对相应软硬件进行调试。通过实际的飞行试验总结出了调试中的一些经验技巧,并且对四旋翼飞行器的飞控系统进行控制律的调整,以增强其稳定性和抗扰动能力,为四旋翼飞行器的进一步研究奠定了基础。
【关键词】：四旋翼飞行器 动力学模型 LQR控制 SMC-SMDO控制 仿真试验 飞行试验
【学位授予单位】：南京理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：V249.1
【目录】：

• 摘要3-4
• Abstract4-8
• 1 绪论8-17
• 1.1 论文研究的意义8
• 1.2 国内外研究历史与发展现状8-15
• 1.2.1 飞行器的发展历史8-9
• 1.2.2 四旋翼飞行器的发展现状9-15
• 1.3 课题来源与论文结构15-17
• 1.3.1 课题来源15-16
• 1.3.2 论文结构16-17
• 2 四旋翼飞行器模型的建立与辨识17-32
• 2.1 引言17
• 2.2 坐标系的建立17-20
• 2.2.1 机体坐标系17
• 2.2.2 本地NED坐标系17-18
• 2.2.3 坐标变换关系18-20
• 2.3 基本概念20-23
• 2.3.1 垂直升降运动20-21
• 2.3.2 悬停运动21
• 2.3.3 横滚运动21-22
• 2.3.4 俯仰运动22
• 2.3.5 偏航运动22-23
• 2.4 四旋翼飞行器非线性模型的构建23-26
• 2.4.1 运动学模型23-24
• 2.4.2 六自由度刚体动力学模型24-25
• 2.4.3 四旋翼飞行器的动力学与运动学方程25-26
• 2.5 四旋翼飞行器非线性模型参数的辨识26-31
• 2.5.1 转动惯量的求取26-28
• 2.5.2 升力系数与转矩系数的测定28-31
• 2.6 本章小结31-32
• 3 四旋翼飞行器模型的简化与LQR控制器设计32-46
• 3.1 引言32
• 3.2 四旋翼飞行器动力学模型的线性化32-34
• 3.3 线性二次型最优控制(LQR)基本原理34-36
• 3.4 四旋翼飞行器的LQR控制器设计36-41
• 3.4.1 四旋翼飞行器X轴方向位移的LQR控制器设计36-41
• 3.5 四旋翼飞行器LQR控制器的仿真分析41-45
• 3.6 本章小结45-46
• 4 四旋翼飞行器的SMC-SMDO控制器设计及仿真46-58
• 4.1 引言46
• 4.2 基于滑模干扰观测器的滑模控制(SMC-SMDO)46-49
• 4.2.1 滑模干扰观测器的设计48
• 4.2.2 基于滑模干扰观测器的滑模控制器的设计48-49
• 4.3 基于滑模干扰观测器的四旋翼飞行器的滑模控制器的设计49-53
• 4.3.1 四旋翼飞行器线运动控制器的设计50-52
• 4.3.2 四旋翼飞行器角运动控制器的设计52-53
• 4.4 仿真分析53-57
• 4.5 本章小结57-58
• 5 四旋翼飞行器的飞行试验58-68
• 5.1 引言58
• 5.2 硬件平台的介绍58-62
• 5.2.1 飞控模块59-60
• 5.2.2 GPS模块60
• 5.2.3 电子罗盘60
• 5.2.4 通信模块60-61
• 5.2.5 超声波测距仪61
• 5.2.6 电源模块61
• 5.2.7 动力设备61-62
• 5.3 软件平台的介绍62-63
• 5.3.1 Arduino软件平台的介绍62-63
• 5.3.2 APM Planner软件平台的介绍63
• 5.4 四旋翼飞行器的程序63-66
• 5.4.1 PID控制器的基本原理64
• 5.4.2 四旋翼飞行器的PID控制器的基本原理64-66
• 5.5 试验调试66-67
• 5.5.1 飞行器参数的微调66-67
• 5.6 本章小结67-68
• 6 总结与展望68-70
• 致谢70-71
• 参考文献71-74

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前2条

1 杨丽;肖冬荣;;基于MATLAB的控制器设计研究[J];微计算机信息;2006年04期

2 王晓侃;冯冬青;;基于MATLAB的LQR控制器设计方法研究[J];微计算机信息;2008年10期

  本文关键词：X750四旋翼飞行器建模与飞行控制研究，由笔耕文化传播整理发布。

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本文编号：370934