共轴双旋翼飞行器姿态控制研究

发布时间：2023-05-14 04:39

　　共轴双旋翼飞行器相比于传统固定翼无人机,具有悬停效率高、结构紧凑和气动特性对称等优点,能够在狭小的空间实现垂直起降,起降落时对场地的需求较低。但共轴双旋翼飞行器的系统复杂度高、耦合性强,加大了飞行器模型建立的难度。国内对于整机模型的建立和飞行控制的资料不够丰富。针对上述问题,本文对共轴双旋翼飞行器的姿态控制展开研究。本论文首先通过三维建模软件完成了共轴双旋翼飞行器样机结构设计,通过机械加工和部分零件的采购组装了试验样机。根据共轴双旋翼飞行器的运动学和动力学建立了六自由度数学模型,阐述了数学模型相关参数的获取方法。针对共轴双旋翼飞行器姿态解算算法,分别介绍了飞行器姿态的三种表示方法和它们各自的优缺点,以及各个传感器的工作原理,为了提高姿态角解算的精度,利用多传感器数据融合,分别设计了互补滤波算法和卡尔曼滤波算法。针对共轴双旋翼飞行器姿态控制系统设计问题,本文综合考虑PID控制器(Proportion Integration Differentiation Controller,PID)简单和可靠性强等优点,在此基础上进行积分分离和抗积分饱和算法优化,提高系统性能。为了提高共轴双旋翼飞行器...

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【学位级别】：硕士

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摘要
abstract
第1章 绪论
    1.1 课题研究的背景与意义
    1.2 共轴双旋翼飞行器研究现状
        1.2.1 国外研究现状
        1.2.2 国内研究现状
        1.2.3 控制方法研究现状
    1.3 论文主要研究内容
第2章 共轴双旋翼飞行器样机研制
    2.1 共轴双旋翼飞行器基本组成
    2.2 共轴双旋翼飞行器旋翼系统
        2.2.1 上旋翼机构
        2.2.2 下旋翼机构
    2.3 共轴双旋翼飞行器飞行原理
        2.3.1 偏航运动
        2.3.2 升降运动
        2.3.3 横滚(俯仰)运动
    2.4 本章小结
第3章 共轴双旋翼飞行器数学模型建立
    3.1 空间坐标系和姿态表示
        3.1.1 姿态角
        3.1.2 坐标系
    3.2 坐标系转换及方向余弦矩阵
        3.2.1 二维坐标旋转
        3.2.2 方向余弦矩阵表示旋转
    3.3 共轴双旋翼飞行器的数学建模
        3.3.1 动力学和运动学模型
        3.3.2 共轴双旋翼飞行器力和力矩的组成
        3.3.3 桨叶挥舞动力学分析
        3.3.4 机身阻力
    3.4 飞行器样机数学模型的参数获取
    3.5 本章小结
第4章 共轴双旋翼飞行器姿态角的解算
    4.1 四元数表示姿态
    4.2 姿态角度测量
        4.2.1 陀螺仪解算姿态角
        4.2.2 加速度计解算姿态角
        4.2.3 磁力计解算姿态角
    4.3 姿态角互补滤波
        4.3.1 线性互补滤波器设计
        4.3.2 互补滤波器更新姿态角
    4.4 扩展卡尔曼滤波
    4.5 本章小结
第5章 共轴双旋翼飞行器姿态控制
    5.1 控制的基本要求
    5.2 飞行器控制系统的基本功能和设计要求
    5.3 飞行器姿态控制系统总体结构
    5.4 飞行器姿态控制器
        5.4.1 PID控制基本理论
        5.4.2 数字PID控制器
        5.4.3 PID控制算法改进
        5.4.4 PID控制器功能
        5.4.5 单级PID控制
        5.4.6 串级PID控制
    5.5 本章小结
第6章 共轴双旋翼飞行器姿态控制试验
    6.1 试验样机搭建
    6.2 飞控软件平台构建
    6.3 飞行试验台及参数整定
    6.4 跟踪性验证
    6.5 飞行试验
    6.6 本章小结
结论
参考文献
攻读硕士学位期间发表的论文和获得的科研成果
致谢



本文编号：3817201