室内环境下四旋翼无人机飞行控制技术研究

发布时间：2017-07-06 23:06

  本文关键词：室内环境下四旋翼无人机飞行控制技术研究

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【摘要】：四旋翼无人机是一种具备垂直起降和悬停功能,并具有优良低速飞行性能的无人驾驶旋翼飞行器。与常规布局无人直升机相比,四旋翼无人机还具有结构紧凑、操控简单,维护方便,使用成本低等优势。由于这些特点和优势,四旋翼无人机技术研究近年来受到了国内外学术界越来越多的关注,并广泛应用于军事和民用领域。论文围绕四旋翼无人机飞行控制系统的设计与实现问题,以实现室内环境下的自主飞行为目标,着重研究了数学建模,航向姿态参考系统,基于干扰观测器的飞行控制,飞行控制系统软硬件设计与实现以及地面控制站开发等内容。论文的主要研究内容如下:首先,详细分析了作用在四旋翼无人机上的力和力矩,并基于牛顿——欧拉原理建立了十二状态非线性动力学方程。通过实验的方法确定了数学模型中的机体转动惯量和旋翼升力系数等参数,同时给出了旋翼转速与PWM信号及电压之间的关系。考虑到工程实现和控制器设计需要,采用小扰动线性化方法对非线性动力学方程进行线性化,得到了以传递函数表示的线性数学模型。然后,设计了基于低成本微机电系统传感器和四元数扩展卡尔曼滤波算法的航向姿态参考系统。针对航姿系统易受干扰加速度影响而导致精度变差的问题,设计了具有干扰加速度修正的四元数扩展卡尔曼滤波航姿估计算法,并在TMS320F28335数字信号控制器上进行了实现。与普通四元数扩展卡尔曼滤波算法的比较实验结果表明,具有干扰加速度修正的航姿估计算法具有更高的精度,能够满足四旋翼无人机室内飞行控制系统的需求。其次,针对四旋翼无人机在室内飞行时容易受到内部和外部干扰的问题,先后设计了两种基于干扰观测器的飞行控制方法。先是采用串级滑模控制方法对四旋翼无人机进行了姿态控制,并使用非线性干扰观测器对外部干扰进行估计。仿真结果表明,滑模姿态控制器具有良好的姿态控制性能和抗干扰能力。针对传统干扰观测器干扰估计精度有限的问题,提出了基于线性双干扰观测器的四旋翼无人机轨迹跟踪控制策略,并给出了基于线性双干扰观测器的闭环控制系统的稳定性证明。同时,设计了基于Smith预测补偿器的改进PID位置控制律。仿真实验表明,基于线性双干扰观测器的迹跟踪控制策略是有效的。接着,对室内环境下的四旋翼无人机飞行控制系统进行了软硬件设计与实现。硬件方面,重点设计了以TMS320F28335为主控芯片的飞行控制主板,完成了原理图绘制和PCB设计。软件方面,设计了基于DSP/BIOS嵌入式实时操作系统的飞行控制软件系统,并对主要功能模块进行了详细设计。为满足飞行控制系统调试和运行需求,还开发了基于MFC的地面控制站。最后,进行了四旋翼无人机室内飞行实验,包括姿态控制实验和位置控制实验。飞行实验结果表明,四旋翼无人机飞行控制系统的设计是合理的、有效的。
【关键词】：四旋翼无人机 航向姿态参考系统 四元数 扩展卡尔曼滤波 干扰观测器 滑模控制 TMS320F28335 DSP/BIOS 地面控制站
【学位授予单位】：南京航空航天大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：V279;V249.1
【目录】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-16
• 第一章 绪论16-27
• 1.1 研究背景及意义16-18
• 1.1.1 无人机的定义16
• 1.1.2 无人机的分类16-17
• 1.1.3 四旋翼无人机17-18
• 1.1.4 研究意义18
• 1.2 国内外研究现状18-22
• 1.2.1 国外研究现状19-21
• 1.2.2 国内研究现状21-22
• 1.3 飞行控制方法概述22-24
• 1.4 本文主要研究内容24-27
• 第二章 四旋翼无人机数学模型27-46
• 2.1 引言27
• 2.2 飞行操纵原理27-28
• 2.3 坐标系及主要运动参数28-31
• 2.3.1 坐标系28-29
• 2.3.2 主要运动参数29-30
• 2.3.3 坐标系转换30-31
• 2.4 四旋翼无人机非线性数学模型31-36
• 2.4.1 力和力矩分析31-33
• 2.4.2 绕质心的转动方程33-35
• 2.4.3 质心平移运动方程35
• 2.4.4 非线性数学模型35-36
• 2.5 数学模型参数确定36-41
• 2.5.1 机体转动惯量确定36-38
• 2.5.2 旋翼组件转动惯量确定38-39
• 2.5.3 升力系数测定39-40
• 2.5.4 旋翼转速与PWM及电压之间的关系40-41
• 2.6 四旋翼无人机线性数学模型41-45
• 2.7 小结45-46
• 第三章 四旋翼无人机航向姿态参考系统46-68
• 3.1 引言46-47
• 3.2 四元数的基本知识47-50
• 3.3 四元数微分方程50-51
• 3.4 干扰加速度修正的四元数EKF航向姿态参考系统51-61
• 3.4.1 四元数EKF姿态估计系统模型52-55
• 3.4.2 四元数EKF姿态估计算法流程55-58
• 3.4.3 干扰加速度自适应修正规律58-59
• 3.4.4 航向估计59-61
• 3.5 航姿系统实验61-67
• 3.5.1 航姿系统实验方案61-62
• 3.5.2 航姿系统实验结果62-67
• 3.6 小结67-68
• 第四章 基于干扰观测器的四旋翼无人机飞行控制68-95
• 4.1 引言68-69
• 4.2 使用非线性干扰观测器的滑模姿态控制69-75
• 4.2.1 欧拉角控制律设计69-71
• 4.2.2 角速率控制律设计71-73
• 4.2.3 仿真研究73-75
• 4.3 基于干扰观测器的四旋翼无人机轨迹跟踪控制75-94
• 4.3.1 LDDOB姿态控制77-85
• 4.3.2 轨迹跟踪控制85-87
• 4.3.3 仿真研究87-94
• 4.4 小结94-95
• 第五章 四旋翼无人机飞行控制系统设计与实现95-128
• 5.1 引言95
• 5.2 飞行控制系统功能需求分析95-97
• 5.3 飞行控制系统硬件设计与实现97-102
• 5.3.1 飞行控制主板器件选型98-99
• 5.3.2 飞行控制主板设计99-102
• 5.4 飞行控制系统软件设计与实现102-119
• 5.4.1 DSP/BIOS简介102-103
• 5.4.2 DSP/BIOS的线程及优先级103-104
• 5.4.3 飞行控制系统线程分配104-109
• 5.4.4 系统初始化109-111
• 5.4.5 AHRS实现111-113
• 5.4.6 遥控输入113
• 5.4.7 飞行模式113-114
• 5.4.8 姿态控制实现114-117
• 5.4.9 导航实现117
• 5.4.10 位置控制实现117-119
• 5.5 四旋翼无人机地面控制站系统119-126
• 5.5.1 空到地通信120-122
• 5.5.2 地到空通信122-123
• 5.5.3 地面控制站图形界面设计123-126
• 5.6 小结126-128
• 第六章 四旋翼无人机飞行实验128-135
• 6.1 引言128
• 6.2 姿态控制实验128-130
• 6.3 位置控制实验130-134
• 6.3.1 室内定位环境搭建130-132
• 6.3.2 位置控制实验132-134
• 6.4 小结134-135
• 第七章 总结与展望135-137
• 7.1 总结135-136
• 7.2 展望136-137
• 参考文献137-146
• 致谢146-147
• 在学期间的研究成果及发表的学术论文147

【参考文献】

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本文编号：528064