四旋翼飞行器飞行控制研究

发布时间：2017-07-05 09:23

  本文关键词：四旋翼飞行器飞行控制研究

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【摘要】：四旋翼飞行器是一种结构新颖、机动性强、性能卓越的垂直起降无人机,具有重要的军事、民用及科研价值。由于四旋翼飞行器有效载荷小,精确建模困难,续航时间短等不足之处,使得四旋翼飞行器自上世纪30年代出现以来一直未受关注。进入21世纪后,随着技术的进步,元器件性能的改善,使得多旋翼飞行器成为无人机研究领域的一个热点。四旋翼飞行器系统涉及电机学、空气动力学、自动控制原理及现代控制技术等,从而拓宽了其研究领域,满足多学科的研究者们的仿真和设计需求。针对其独特性能,本文重点研究四旋翼飞行器的数学建模、非线性控制特性以及实际飞行,主要研究内容为： 首先,研究分析四旋翼飞行器的飞行原理及空气动力学特性,并建立基于MWC2.0飞控板设计组建的四旋翼飞行器的数学模型； 其次,针对四旋翼飞行器的欠驱动、强耦合、非线性、多输入多输出(MIMO)等系统特性,本文基于Backstepping(反步法)算法设计四旋翼飞行器的控制器,对第一步建立的数学模型进行仿真分析,并利用Lyapunov稳定判据验证其稳定性。 最后,基于MWC2.0飞控板设计组建四旋翼飞行器,分析传感器的工作原理,并基于arduino软件开发平台,以及开源的飞控程序,优化四旋翼飞行器控制系统。使用Futaba遥控器遥控其飞行,检测并调试系统稳定性,最终实现垂直起降、巡航、悬停等飞行姿态。
【关键词】：四旋翼飞行器 空气动力学 Backstepping算法 MWC2.0
【学位授予单位】：厦门大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：V249.1
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-6
• 目录6-10
• 第一章 绪论10-14
• 1.1 课题背景10-11
• 1.2 国内外研究现状11-12
• 1.3 本文研究的主要内容12-14
• 第二章 四旋翼飞行器总体设计方案14-28
• 2.1 引言14
• 2.2 四旋翼飞行器的结构设计和飞行原理14-15
• 2.3 旋翼的空气动力学特性15-24
• 2.3.1 旋翼的相对气流及速度系数15-16
• 2.3.2 诱导速度16-19
• 2.3.3 桨叶的相对气流19-20
• 2.3.4 旋翼的空气动力与力矩20-24
• 2.4 空气动力学模型24-27
• 2.5 本章小结27-28
• 第三章 四旋翼飞行器控制器设计及仿真分析28-51
• 3.1 引言28
• 3.2 Backstepping控制算法28-33
• 3.2.1 Lyapunov稳定性分析28-30
• 3.2.2 Backstepping算法30-33
• 3.3 空气动力学模型简化33-35
• 3.4 四旋翼飞行器控制器设计35-42
• 3.4.1 z通道和高度控制器36-37
• 3.4.2 x-θ通道和y-φ通道及控制器37-40
• 3.4.3 ψ通道和偏航控制器40-42
• 3.5 空气动力学模型仿真分析42-50
• 3.6 本章小结50-51
• 第四章 四旋翼飞行器平台搭建51-67
• 4.1 引言51
• 4.2 四旋翼飞行器硬件平台51-52
• 4.3 MWC2.0高配飞控板52-64
• 4.3.1 MWC2.0飞控板接口53-54
• 4.3.2 MWC2.0飞控板LED灯54
• 4.3.3 微处理器ATMEGA256054-55
• 4.3.4 磁强计HMC5883L55-57
• 4.3.5 气压计MS561157-60
• 4.3.6 MPU-6050惯性测量元件60-64
• 4.4 四旋翼飞行器动力系统64-65
• 4.4.1 电子调速器64
• 4.4.2 三相无刷电机64-65
• 4.5 四旋翼飞行器遥控系统65-66
• 4.6 本章小结66-67
• 第五章 四旋翼飞行器实际飞行分析67-77
• 5.1 引言67
• 5.2 MWC飞行控制程序67-71
• 5.2.1 四旋翼飞行器PID控制器68-70
• 5.2.2 MS5611气压计定高70-71
• 5.3 基于互补滤波器的姿态估计71-73
• 5.4 四旋翼飞行器配置软件73-74
• 5.5 四旋翼飞行器飞行试验74-76
• 5.5.1 飞行模式75
• 5.5.2 控制器参数整定75-76
• 5.6 飞行结果分析76
• 5.7 本章小结76-77
• 第六章 总结与展望77-78
• 参考文献78-81
• 硕士期间发表的学术论文81-82
• 致谢82-83
• 附录83

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前10条

1 周权;黄向华;朱理化;;四旋翼微型飞行平台姿态稳定控制试验研究[J];传感器与微系统;2009年05期

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本文编号：521406