四旋翼飞行器控制技术研究及其微功耗设计

发布时间：2017-05-24 19:08

  本文关键词：四旋翼飞行器控制技术研究及其微功耗设计，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：旋翼式无人机因可以垂直起降、低速飞行以及悬停，并能够依靠调节电机转速直接控制飞行速度，制造成本低，适应复杂气象和地理环境而备受人们青睐。但由于其有效载荷小，续航时间短及控制难度大等问题限制了它的应用范围。因而研究其高效可靠的控制系统使其适合减灾、救灾及战场的需要，具有迫切的现实意义。 本文以四旋翼飞行器为研究对象，，分析并建立了四旋翼飞行器控系统的数学模型，给出并研究了一种滑模变结构控制器，进而设计了一种续航能力相对较大、功耗低、鲁棒性强、调节时间短、飞行位置、姿态及高度可控且具有一定智能的四旋翼无人飞行器控制系统及其飞行模拟实验平台。 主要研究工作如下： 1.通过对若干研究案例进行对比分析，将四旋翼飞行器简化为六自由度四输入的欠驱动系统，系统的六自由度输出量与四输入量间耦合紧密，增加了建模难度，也限制了各种控制算法的应用，文中采用机理建模方法，依据参考文献中的动力学方程，推导并建立了四旋翼飞行器的简化数学模型，为控制算法研究奠定了基础。 2.根据飞行器的动力模型，采用MATLAB/Simulink仿真软件，搭建了四旋翼飞行器的PID以及滑模控制仿真平台。对飞行器的位置以及高度姿态进行了控制仿真。仿真结果表明，PID控制算法的控制响应时间为2秒左右，滑模控制算法的响应时间为1.6秒左右。对两种算法仿真结果对比显示，PID算法虽然可以很好的进行飞行器控制，但是控制过程中出现较大的超调，这使得飞行器从起始点到目标点的路径比较曲折。而滑模控制算法控制过度平稳，飞行器飞至目标点的飞行轨迹比较平稳。且滑模控制算法具有更短的响应时间和更好的鲁棒性。 3.在详细分析系统功能及技术指标要求的前提下，以低功耗为约束条件，讨论了主控制器、高度计、陀螺仪和无线通信模块及执行电机的功能及选型原则，论证了飞行模拟实验平台实现方案，给出了AVR单片机为核心的系统结构框图，设计了并调试了相应电路模块电路原理图。实验表明，飞行器最终达到了基本悬停和在遥控器辅助的情况下的姿态控制要求。 4.软件设计方面，采用模块化、结构化设计方法，给出了四旋翼飞行器控制系统的软件设计；从系统方案和软硬件设计等多方面研究了低功耗设计方法，凝练了低功耗设计准则；阐述了软件设计思想及其流程，设计并着重讨论了为提高系统的可调试性和可维护性而研发的自检模块，设计了主程序和部分子程序流程图。
【关键词】：四旋翼飞行器 数学建模 PID控制 滑模变结构控制 自诊断功能 低功耗设计
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：V279;V249.1
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-10
• 第1章 绪论10-17
• 1.1 课题的背景及意义10
• 1.2 国内外研究现状10-15
• 1.2.1 国外研究现状11-15
• 1.2.2 国内研究现状15
• 1.3 主要的飞行控制算法15
• 1.4 本文主要研究内容15-17
• 第2章 四旋翼飞行器数学建模17-25
• 2.1 引言17
• 2.2 四旋翼飞行器的运动原理17-19
• 2.3 四旋翼飞行器的动态模型建立19-24
• 2.3.1 坐标系的转换矩阵20-21
• 2.3.2 运动方程推导21-24
• 2.4 本章小结24-25
• 第3章 四旋翼飞行器的 PID 控制25-36
• 3.1 PID 控制器简介25-28
• 3.1.1 比例（P）控制25-26
• 3.1.2 积分（I）控制26-27
• 3.1.3 微分（D）控制27-28
• 3.2 四旋翼飞行器的 PID 控制器的设计28-32
• 3.2.1 飞行器 PID 位置控制器设计28-29
• 3.2.2 飞行高度与姿态 PID 控制器整体设计29
• 3.2.3 PID 控制器29-31
• 3.2.4 Inversion 模块31-32
• 3.2.5 系统动态模型32
• 3.3 仿真结果分析32-34
• 3.4 PID 控制器的鲁棒性研究34-35
• 3.5 本章小结35-36
• 第4章 四旋翼飞行器滑模控制36-46
• 4.1 滑模变结构控制理论36-40
• 4.1.1 滑模变结构控制的发展简介36-37
• 4.1.2 滑模控制的基本定义37-39
• 4.1.3 滑模变结构控制系统器的设计步骤39-40
• 4.2 四旋翼无人机滑模变结构控制器设计40-43
• 4.2.1 滑模变结构控制器的总体设计41
• 4.2.2 滑模控制律的推导41-43
• 4.3 滑模控制的 Matlab/Sinmulink 仿真实现43-44
• 4.4 仿真结果分析44-45
• 4.5 本章小结45-46
• 第5章 四旋翼飞行器控制系统的模块化设计与实现46-60
• 5.1 低功耗四旋翼飞行器控制系统的硬件设计46-52
• 5.1.1 四旋翼飞行器控制系统的机型方案47
• 5.1.2 传感器的选择47-50
• 5.1.3. 旋翼驱动电动机的选型及后向通道50-51
• 5.1.4 无线通信电路模块51-52
• 5.2 四旋翼飞行器控制系统的低功耗设计52-53
• 5.2.1 四旋翼飞行器控制系统低功耗设计的基本准则52-53
• 5.2.2 故障分析及处理53
• 5.3 四旋翼飞行器控制系统的软件设计53-58
• 5.3.1 系统应用软件的模块化和结构化设计53-56
• 5.3.2 四旋翼飞行器控制系统的自诊断模块56-58
• 5.4 飞行控制的实现58-59
• 5.5 本章小结59-60
• 第6章 总结与展望60-62
• 6.1 本文总结60
• 6.2 前景展望60-62
• 参考文献62-66
• 作者简介66-67
• 致谢67

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前9条

1 岳基隆;张庆杰;朱华勇;;微小型四旋翼无人机研究进展及关键技术浅析[J];电光与控制;2010年10期

2 王兴贵;黄忠良;;同步发电机励磁系统的智能变结构控制[J];电力系统及其自动化学报;2006年06期

3 李俊;李运堂;;四旋翼飞行器的动力学建模及PID控制[J];辽宁工程技术大学学报(自然科学版);2012年01期

4 吴成富;刘小齐;袁旭;;四旋翼无人机建模及其PID控制律设计[J];电子设计工程;2012年16期

5 侯永锋;陆连山;高尚德;刘雨生;;基于PD算法的四旋翼飞行器控制系统研究[J];机械科学与技术;2012年03期

6 郑艳;郑秀萍;褚俊霞;井元伟;;基于T-S模型的体操机器人系统模糊变结构控制[J];控制与决策;2006年01期

7 王璐;李光春;王兆龙;焦斌;;欠驱动四旋翼无人飞行器的滑模控制[J];哈尔滨工程大学学报;2012年10期

8 张W

本文编号：391689